儀yi表biao放fang大da器qi是shi一yi種zhong具ju有you差cha分fen輸shu入ru和he相xiang對dui參can考kao端duan單dan端duan輸shu出chu的de閉bi環huan增zeng益yi單dan元yuan。大da多duo數shu情qing況kuang下xia
，儀yi表biao放fang大da器qi的de兩liang個ge輸shu入ru端duan阻zu抗kang平ping衡heng並bing且qie阻zu值zhi很hen高gao，典dian型xing值zhi≥109 Ω。其輸入偏置電流也應很低，典型值為 1 nA至 50 nA。與運算放大器一樣，其輸出阻抗很低，在低頻段通常僅有幾毫歐(mΩ)。運yun算suan放fang大da器qi的de閉bi環huan增zeng益yi是shi由you其qi反fan向xiang輸shu入ru端duan和he輸shu出chu端duan之zhi間jian連lian接jie的de外wai部bu電dian阻zu決jue定ding。與yu放fang大da器qi不bu同tong的de是shi
，儀yi表biao放fang大da器qi使shi用yong一yi個ge內nei部bu反fan饋kui電dian阻zu網wang絡luo，它ta與yu其qi信xin號hao輸shu入ru端duan隔ge離li。對dui儀yi表biao放fang大da器qi的de兩liang個ge差cha分fen輸shu入ru端duan施shi加jia輸shu入ru信xin號hao，其qi增zeng益yi既ji可ke由you內nei部bu預yu置zhi，也ye可ke由you用yong戶hu通tong過guo引yin腳jiao連lian接jie一yi個ge內nei部bu或huo者zhe外wai部bu增zeng益yi電dian阻zu器qi設she置zhi，該gai增zeng益yi電dian阻zu器qi也ye與yu信xin號hao輸shu入ru端duan隔ge離li。

 

專用的儀表放大器價格通常比較貴，於是我們就想能否用普通的運放組成儀表放大器?答案是肯定的。使用三個普通運放就可以組成一個儀用放大器。電路如下圖所示：
 

 

圖1 標準三運放儀表放大器電路

 

輸出電壓表達式如圖中所示。

看到這裏大家可能會問上述表達式是如何導出的? 為何上述電路可以實現儀表放大器?下麵我們就將探討這些問題。在此之前
，我們先來看如下我們很熟悉的差分電路：
 

 

圖2 用單運放實現儀表放大器的差分放大電路

 

如果R1 = R3
，R2 = R4
，則VOUT = (VIN2—VIN1)(R2/R1)

 

這(zhe)一(yi)電(dian)路(lu)提(ti)供(gong)了(le)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)功(gong)能(neng)，即(ji)放(fang)大(da)差(cha)分(fen)信(xin)號(hao)的(de)同(tong)時(shi)抑(yi)製(zhi)共(gong)模(mo)信(xin)號(hao)
，但(dan)它(ta)也(ye)有(you)些(xie)缺(que)陷(xian)。首(shou)先(xian)，同(tong)相(xiang)輸(shu)入(ru)端(duan)和(he)反(fan)相(xiang)輸(shu)入(ru)端(duan)阻(zu)抗(kang)相(xiang)當(dang)低(di)而(er)且(qie)不(bu)相(xiang)等(deng)。在(zai)這(zhe)一(yi)例(li)子(zi)中(zhong)VIN1反相輸入阻抗等於 100 kΩ，而VIN2同相輸入阻抗等於反相輸入阻抗的兩倍，即200 kΩ。因此
，當電壓施加到一個輸入端而另一端接地時，差分電流將會根據輸入端接收的施加電壓而流入。(這種源阻抗的不平衡會降低電路的CMRR。)

 

另外，這一電路要求電阻對R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否則，每個輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑製。例如
，當增益等於 1 時，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中隻要有一隻電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMR便 下 降 到 66 dB(2000:1)。同樣，如果源阻抗有 100 Ω的不平衡將使CMR下降 6 dB。

 

為解決上述問題，我們在運放的正負輸入端都加上電壓跟隨器以提高輸入阻抗。如下圖所示：

 

圖3 帶輸入緩衝的減法器電路
 

以上前置的兩個運放作為電壓跟隨器使用，我們現在改為同相放大器，電路如下所示：

 

圖4 同相放大器電路

輸出電壓表達式如上圖所示。上圖所示的電路增加增益(A1 和 A2)時
，它對差分信號增加相同的增益

，也對共模信號增加相同的增益。也就是說
，上述電路相對於原電路共模抑製比並沒有增加。

 

下麵，要開始最巧妙的變化了!看電路先：

 

圖5 標準三運放儀表放大器電路
 

 

這種標準的三運放儀表放大器電路是對帶緩衝減法器電路巧妙的改進。像前麵的電路一樣，上圖中A1 和A2 運算放大器緩衝輸入電壓。然而
，在這種結構中
，單個增益電阻器RG連接在兩個輸入緩衝器的求和點之間，取代了帶緩衝減法器電路的R6和R7。由於每個放大器求和點的電壓等於施加在各自正輸入端的電壓
，因此，整個差分輸入電壓現在都呈現在RG兩端。因為輸入電壓經過放大後(在A1 和A2的輸出端)的差分電壓呈現在R5
，RG和R6這三隻電阻上
，所以差分增益可以通過僅改變RG進行調整。

 

這種連接有另外一個優點：一旦這個減法器電路的增益用比率匹配的電阻器設定後，在改變增益時不再對電阻匹配有任何要求。如果R5 = R6，R1= R3和R2 = R4，則VOUT = (VIN2-VIN1)(1+2R5/RG)(R2/R1)由於RG兩端的電壓等於VIN，所以流過RG的電流等於VIN/RG，因此輸入信號將通過A1 和A2 獲得增益並得到放大。然而須注意的是對加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位
，從而不會在RG上產生電流。由於沒有電流流過RG(也就無電流流過R5和R6)，放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩衝器，而差分電壓將按〔1+(2 RF/RG)〕的增益係數被放大。這也就意味著該電路的共模抑製比相比與原來的差分電路增大了〔1+(2 RF/RG)〕倍!

 

在理論上表明，用戶可以得到所要求的前端增益(由RG來決定)，而不增加共模增益和誤差
，即差分信號將按增益成比例增加，而共模誤差則不然，所以比率〔增益(差分輸入電壓)/(共模誤差電壓)〕將增大。因此CMR理論上直接與增益成比例增加，這是一個非常有用的特性。

 

最(zui)後(hou)，由(you)於(yu)結(jie)構(gou)上(shang)的(de)對(dui)稱(cheng)性(xing)，輸(shu)入(ru)放(fang)大(da)器(qi)的(de)共(gong)模(mo)誤(wu)差(cha)，如(ru)果(guo)它(ta)們(men)跟(gen)蹤(zong)
，將(jiang)被(bei)輸(shu)出(chu)級(ji)的(de)減(jian)法(fa)器(qi)消(xiao)除(chu)。這(zhe)包(bao)括(kuo)諸(zhu)如(ru)共(gong)模(mo)抑(yi)製(zhi)隨(sui)頻(pin)率(lv)變(bian)換(huan)的(de)誤(wu)差(cha)。上(shang)述(shu)這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)便(bian)是(shi)這(zhe)種(zhong)三(san)運(yun)放(fang)結(jie)構(gou)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)的(de)解(jie)釋(shi)。

 

到這裏，我們導出了這個經典電路的來龍去脈： 差分放大器-->前置電壓跟隨器-->電壓跟隨器變為同相放大器-->三運放組成的儀用放大器。