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模拟技术中的解析一款常常被误解的器件模拟技术中的解析一款常常被误解的器件

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享CMR方程式如下：　　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

　　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享CMR方程式如下：

　　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：

　　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66dB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

20log(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。(德州仪器)

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