一款被完全误解的器件

为什么仪表放大器常常被人们误解呢？图 1 所示的 三运放仪表放大器看似为一种简单的结构，因为它使用已经存在了几十年的基本运算放大器 (op amp) 来获得差动输入信号。运算放大器的输入失调电压误差不难理解。运算放大器开环增益的定义没有改变。运算放大器共模抑制 (CMR) 的简单方法自运算放大器时代之初就已经有了。那么，问题出在哪里呢？

图 1 三 运放仪表放大器，其 VCM 为共模电压，
而 VDIFF 为相同仪表放大器的差动输入。

单运算放大器和仪表放大器的共用 CMR 方程式如下：

  方程式  1

本方程式中，G 相当于系统增益，VCM 为相对于接地电压同样施加于系统输入端的变化电压，而 VOUT 为相对于变化 VCM 值的系统输出电压变化。

在 CMR 方面，运算放大器的内部活动很简单，其失调电压变化是唯一的问题。就仪表放大器而言，有两个影响器件 CMR 的因素。第一个也是最重要的因素是，涉及第三个放大器（图 1，A3）电阻比率的平衡问题。例如，如果 R1 等于 R3，R2 等于R4，则理想状况下的 三运放仪表放大器 CMR 为无穷大。然而，我们还是要回到现实世界中来，研究 R1、R2、R3 和 R4 与仪表放大器 CMR 的关系。

具体而言，将 R1：R2 同 R3：R4 匹配至关重要。结合 A3，这 4 个电阻从 A1 和 A2的输出减去并增益信号。电阻比之间的错配会在 A3  输出端形成误差。方程式 2 在这些电阻关系方面会形成 CMR 误差：

   方程式 2

例如，如果 R1、R2、R3 和 R4 接近相同值，且 R3：R4 等于 R1/R2 的 1.001，则该 0.1% 错配会带来仪表放大器 CMR 的降低，从理想水平降至 66 dB 级别。

根据方程式 1，仪表放大器 CMR 随系统增益的增加而增加。这是一个非常好的特性。方程式 1 可能会激发仪表放大器设计人员确保有许多可用增益，但是这种方法存在一定的局限性。A1 和 A2 开环增益误差和噪声。放大器的开环增益等于 20 log (ΔVOUT/ΔVOS)。随着 A1 和 A2 增益的增加，放大器开环增益失调误差也随之增加。A1 和 A2 的输出振幅变化一般涵盖电源轨。仪表放大器增益更高的情况下，运算放大器的开环增益误差和噪声占主导。通过 RSS 公式，这些误差降低了更高增益下的仪表 CMR。因此，您会看到仪表放大器的 CMR 性能值往往会在更高增益时达到最大值。

因此，从 CMR 角度来看，仪表放大器就像是一个在不同系统增益下器件各部分都诱发 CMR 误差的系统。当您对器件的内部原理进行研究时，它便不再如此神秘。您把各个部分都分开来，就会一目了然。

参考文献
• 《并非所有 INA 的 CMRR 都相等》，作者：Baker, Bonnie，《电子世界》，2008 年 12 月。
•  《仪表放大器的正确使用方法》，作者：Kitchin, Counts，EDN，2005 年 9 月 15 日。