好的，我们来详细介绍一下三运放仪表放大器及其使用方法。

什么是三运放仪表放大器？

三运放仪表放大器是一种高精度、高输入阻抗的差分放大器电路，它由三个独立的运算放大器组成一个特殊的架构。仪表放大器的目标是精确放大两个输入端（V1 和 V2）之间的微小电压差（称为差分信号 Vdiff），同时非常有效地抑制两个输入端子上都存在的任何共同电压（称为共模信号 Vcm）。这种对共模信号的抑制能力通常用共模抑制比（CMRR）来衡量，CMRR越高越好。

它之所以成为“仪表”级放大器的核心，是因为其优异的特性满足了测量仪器、传感器接口、数据采集系统等对信号精确度要求极高的场合。

(上图是一个典型的三运放仪表放大器电路结构，包含两个输入运放A1和A2组成的缓冲/差分输入级，以及一个输出运放A3组成的差分到单端放大器。Rg是增益设置电阻。)

核心结构与工作原理

1. 输入级（高输入阻抗与差分）：

   • 由两个同相输入的运算放大器（A1, A2）组成。
   • 这种结构提供了非常高的输入阻抗（通常是百兆欧姆甚至更高量级）。这意味着放大器从信号源汲取的电流极小，对信号源的负载效应可以忽略不计，非常适合连接高输出阻抗传感器（如应变计、热电偶、电桥等）。
   • 输入级的主要功能是在其各自的输出端“跟随”输入电压V1和V2（即增益为1的电压跟随器作用），但关键在于它设置了差分增益的“舞台”。

2. 增益设置与差分放大：

   • 两个输入运放（A1, A2）的输出端通过电阻连接在一起，并有一个连接在它们之间的增益设置电阻Rg。
   • 输入差分信号 (V1 - V2) 主要导致电流流过Rg，进而流经连接在A1和A2反相输入端的两个精密匹配电阻（R1和R2）。
   • 差分增益 (Adiff) 由外部电阻 Rg 和内部精密电阻（通常是激光修整的片内电阻）决定： Adiff = 1 + (2 * R1) / Rg
   • 这个公式是仪表放大器设计的核心：增益仅由电阻比值决定，并且可以通过外部电阻 Rg 方便地调节（注意公式中的R1一般已集成在芯片内）。

3. 输出级（共模抑制与减法）：

   • 第三个运算放大器（A3）构成一个精密差分放大器（也叫减法器）。
   • 它接收来自输入级A1和A2输出的、已经过差分增益放大的信号。
   • 它的核心作用是：将A1和A2输出中携带的、且被差分放大了的共模信号成分尽可能地相减抵消掉，并最终输出一个以地为参考的单端电压信号 Vout。
   • 输出级的增益通常为1或由内部匹配电阻设定（在集成式仪表放大器中）。
   • 极高的CMRR主要是由这个输出级及其内部精密匹配电阻实现的。 要求A3输入端连接的电阻（R3和R4）必须高度匹配，否则CMRR会下降。集成仪表放大器内部的激光修整确保了这种高精度匹配。

关键特性

1. 极高的输入阻抗： 减小对信号源的负载。
2. 出色的共模抑制比： 即使存在强共模噪声或接地环路干扰，也能精确提取微弱的差分信号。
3. 高增益精度和稳定性： 增益主要由电阻比值决定，容易精确设定和保持稳定。
4. 增益可调： 通过单个外部电阻 Rg 即可轻松设置增益（增益设置公式：Adiff = 1 + (2 * R1) / Rg）。
5. 平衡的差分输入： 两个输入端具有对称的特性。
6. 低噪声与低失调： 对微弱信号放大至关重要。

如何使用三运放仪表放大器

现在在大多数应用中，我们使用的是高度集成的单芯片仪表放大器（如 AD620, AD8221, INA128, INA333 等）。这些芯片将整个三运放结构、精密匹配电阻和控制电路集成在一个封装内，使用非常方便且性能优越。

使用步骤（以集成仪表放大器为例）

1. 阅读器件手册： 这是最重要的第一步！了解你所用芯片的具体参数（电源范围、输入输出范围、最大增益、带宽、失调电压、偏置电流、CMRR、噪声指标等）和引脚功能。

2. 连接电源：

   • 为芯片提供所需工作电压（通常有单电源和双电源配置）。双电源（如 ±15V）通常能提供最大的输入输出动态范围。
   • 单电源应用时（如 +5V, +3.3V），特别要关注输入共模电压范围和输出电压摆幅（可能无法接近电源轨），传感器输出信号需要偏置在合适的范围内。
   • 务必在靠近芯片电源引脚的地方安装电源去耦电容（如 0.1μF陶瓷电容并联一个较大的10μF电解电容或钽电容），以滤除电源噪声和提供瞬时电流。

3. 连接输入信号：

   • 将待放大的差分信号连接到芯片的同相输入端（IN+） 和反相输入端（IN-）。
   • 如果存在参考地或共模电压源，将其连接到 REF 引脚（通常称为参考端）。
     • 默认情况下（REF接地），输出电压以系统地为参考。
     • 若需要输出产生一个固定的电压偏移，可将 REF 引脚连接到一个固定偏置电压（例如在电池供电单电源系统中，将输出中心点偏置到电源电压中点 V+/2）。
     • REF 引脚的电压直接影响输出信号的直流偏置点。

4. 设置增益：

   • 找到 增益设置引脚 RG。
   • 根据所需的差分放大增益 Adiff（Adiff = Vout / (Vin+ - Vin-）），利用公式 Adiff = 1 + (50kΩ) / Rg （这是AD620的公式，其他芯片参考手册）计算 Rg。
   • 在增益设置引脚（通常标记为 RG1/RG2 或简单标记为 RG）之间焊接一个精度高（如 0.1% 或 1%）、温漂系数低（如50ppm/°C或更低）的电阻器作为 Rg。
   • 如果需要切换增益，可以在该位置连接一个可切换的电阻网络或精密模拟开关。
   • 为了获得最佳性能（特别是高CMRR），Rg两端到电路地的寄生电容应尽量小（即Rg引脚布线尽量短）。

5. 处理输出：

   • 连接到后续电路（如ADC、滤波器、记录设备等）。
   • 注意输出驱动能力（检查手册），避免过载。如果驱动容性负载或长线，可能需要增加缓冲放大器。

6. 连接参考端（REF）：

   • 大多数仪表放大器都有一个 REF（参考）引脚。
   • 该引脚定义了输出信号的直流电平或“参考地”。
   • 默认情况（最常见）：将 REF 引脚连接到系统的模拟地。这时，Vout 以该地为参考。
   • 需要偏移输出时：将 REF 引脚连接到一个固定的电压源（如分压电路产生的 Vref）。这会将整个输出信号抬高或降低到围绕 Vref 的范围内（输出变为：Vout = Adiff * (V+ - V-) + Vref）。
   • 特别注意： 在单电源系统中，为了使输出能在允许范围内波动，通常需要将 REF 引脚偏置到一个合适的直流电压（例如电源中点）。在信号测量系统中，常需将其连接到 ADC 的参考电压或系统模拟地。
   • REF 引脚的阻抗通常不高，避免使用高阻抗源驱动它。 如果需要强驱动或精确电压，可以在 REF 引脚前加一个运算放大器作为缓冲器。
   • 妥善处理 REF 引脚连接对获得最佳共模抑制至关重要！

实际应用注意事项

1. 布局与接地：

   • 良好的模拟电路布局和接地至关重要！
   • 使用星型接地，避免地环路。
   • 将输入信号源（传感器）和仪表放大器尽量靠近放置，特别处理高阻抗和高增益节点（如RG引脚、输入端）的布线，使其远离噪声源和电源线。
   • 为小信号和高频信号提供适当的屏蔽。
   • 电源去耦电容应尽量靠近放大器电源引脚安装。

2. 输入保护：

   • 如果输入信号可能超出放大器安全工作范围（如高电压或静电放电），需要添加输入保护电路（如串联限流电阻、钳位二极管到电源轨、TVS管等），但需权衡保护效果与信号精度影响。

3. 噪声处理：

   • 针对传感器噪声和放大器自身噪声（主要是1/f噪声和宽带白噪声），可以在放大器输入端或输出端加入低通滤波器（电阻电容组成）。
   • 选择噪声指标低的器件。

4. 传感器接口：

   • 对于电阻型传感器（如电桥RTD），提供稳定的激励电源非常重要。
   • 使用屏蔽双绞线连接远端传感器，屏蔽层在放大器端单点接地，有助于抑制共模干扰。
   • 注意输入偏置电流可能导致偏置电压，对于非常高源阻抗传感器，应选择极低输入偏置电流（如飞安级）的仪表放大器。

总结

三运放仪表放大器（通常实现为集成IC）因其出色的差分放大能力、极高的输入阻抗、优秀的共模抑制比和易于设置的增益，成为精密测量系统中放大微弱传感器信号的理想选择。使用时务必仔细阅读器件手册，正确连接电源（并去耦）和信号输入，准确设置增益电阻Rg，恰当处理参考端（REF）的连接，同时注重电路板的布局、布线和接地，才能充分发挥其高性能潜力。