仪表放大器（仪表放大器）是专用放大器，旨在提取小差分信号，同时抑制大共模信号。在本文中，我们将检查电桥测量系统，以说明为什么仪表放大器需要具有高共模抑制才能成功提取小差分信号。
　　我们还将了解一种特殊类型的差分放大器，称为差分放大器。这些放大器具有非常高的共模抑制能力，并被应用于当今的许多仪表放大器 IC 中。在下一篇文章中，我们将看到除了具有高共模抑制之外，仪表放大器还应该提供高且相等的输入阻抗。　　
　　电桥测量系统：典型的仪表放大器应用

　　考虑如下所示的电桥测量系统。

　　图 1. 电桥测量系统电路　
　　在这种情况下，根据所测量的物理参数，电阻器R 4发生变化并导致节点A和B之间的电压差。
　　放大级应将电桥电压差（通常在 0-20 mV 范围内）转换为 A/D 转换器输入范围内的电压（通常为 0-5 V）。应考虑放大器的几个不同参数，例如噪声、带宽、线性度、功率和输入/输出摆幅。然而，在此特定应用中，有两个放大器参数至关重要：共模抑制和输入阻抗。
　　我们将在下面讨论为什么放大器需要具有高共模抑制才能成功提取小差分信号。放大器输入阻抗的影响将在下一篇文章中讨论。　　
　　桥输出由共模和差分信号组成

　　放大器输入端出现的信号可以分解为差分信号和共模信号。例如，假设电桥电阻值如图 2 所示。

　

　　图 2. 调整电桥电阻值　
　　在这种情况下，节点 A 和 B 处的电压将为：　
　　\[v_A=\frac{120}{120+3900} \times 8 = 238.8\, \textit{mV}\]
　　\[v_B=\frac{100}{100+3900} \times 8 = 200\, \textit{mV}\]　
　　这可以分解为以下差分 (v d ) 和共模 (v c ) 信号：　
　　\[v_C=\frac{v_A+v_B}{2}= \frac{238.8+200}{2}= 219.4\, \textit{mV}\]
　　\[v_d=v_A - v_B = 238.8 - 200 = 38.8\, \textit{mV}\]　
　　因此，戴维南电桥等效图如图 3 所示。 

　　

　　图 3. 戴维宁电桥等效值　
　　这里，R th1和R th2是两个桥支路的等效电阻，分别为116.4 Ω和97.5 Ω。理想情况下，我们期望输出是差分信号的放大版本（与所测量的物理参数相关）。因此，我们期望： 　　
　　\[v_{out}=A_dv_d\]　　
　　其中 A d指定放大器的差分增益。然而，实际上，输入共模信号也会对输出电压产生影响，我们有：　　
　　\[v_{out}=A_d v_d + A_{cm} v_c\]
　　等式 1。　
　　其中 A cm表示放大器的共模增益。　　
　　为什么放大器要抑制共模信号？ 
　　由于等式 1 中的 v c和 A cm均为常数，因此输出端的误差也将是常数。然而，共模增益 A cm会随着感兴趣带宽中的频率而变化。此外，节点A和B处出现的任何共模噪声都会改变v c。例如，为电桥供电的直流电源的噪声会影响 v c。 
　　此外，共模电压可以是电桥电阻器的函数。例如，当图2中的电桥平衡时（R 4 =100Ω），v c将为200 mV，而不是上例中获得的219.4 mV。因此，共模电压可能会导致输出端出现变化的误差电压。我们需要一个能够放大 v d同时抑制共模信号的放大器。　　
　　放大器的共模抑制
　　放大器抑制共模信号的能力通过共模抑制比 (CMRR) 来量化，共模抑制比定义为差分增益除以共模增益。
　　让我们看一下一些典型值。假设桥式放大器输出端的满量程摆幅为 5V，我们希望将共模电压的误差保持在满量程值 (5V) 的 0.02% 以下。当 v c =200 mV 时，放大器共模增益为：　　
　　\[A_{cm}=\frac{0.0002\times 5\,V}{200\,mV}=0.005\]　　
　　典型差分增益为 100 时，A cm =0.005 的 CMRR 为 　
　　\[\textbf{CMRR} = \frac {A_d}{A_{cm}}= \frac {100}{0.005}=20000=86 \, dB\]　　
　　简单的运放放大器能否提供足够的 CMRR？
　　我们知道运算放大器的设计目的是放大差分信号，同时抑制输入的共模分量。
　　您可能想知道是否可以使用简单的反相或同相运放放大器来提取桥电路的微弱差分信号？
　　让我们检查一下图 4 中所示运算放大器的共模增益。

　　

　　图 4. 运算放大器放大器电路示例　　
　　负反馈以及运算放大器的高增益将迫使运算放大器的反相输入和非反相输入具有相同的电压。将共模电压 v c施加到节点 A 和 B 时，我们将得到　
　　\[v_{in-}= v_{in+}= v_A = v_c\]　　
　　由于 v c也施加到节点 B，因此流过 R 1的电流以及流过 R F 的电流将为零。因此，我们将有　
　　\[v_{out}= v_{in-}= v_c\]　　
　　这意味着节点 A 和 B 处出现的任何共模电压都将以增益 1 传输到输出。差分增益为 100 时，CMRR 将为：　　
　　\[CMRR =\frac{A_d}{A_{cm}} = \frac{100}{1} = 40 \, dB\]　　
　　这对于许多应用程序来说是不可接受的。　　
　　差动放大器怎么样？
　　图 5 所示的差分放大器可以实现更高的 CMRR。

　　

　　图 5. 差分放大器　　
　　可以看出，输出方程如下：　　
　　\[v_{out}=\frac{R_4}{R_1} \times \frac {R_1 + R_2}{R_3 + R_4} \times v_A - \frac {R_2}{R_1} \times v_B\]　
　　对于 \(\frac {R_2}{R_1}=\frac{R_4}{R_3}\)，我们有：　　
　　\[v_{out}=\frac {R_2}{R_1}\left ( v_A-v_B \right )\]　
　　该方程表明任何共模电压都将被放大器完全抑制，即 v A =v B时，v out =0。然而，实际上，差分放大器的共模抑制是有限的。这是因为比率 \(\frac {R_2}{R_1}\) 不会完全等于 \(\frac{R_4}{R_3}\)。 
　　例如，假设我们选择R 1 =R 2 =R 3 =R 4以使差分增益为1。理想情况下，共模增益应为零。然而，如果只有一个电阻器存在 0.1% 的失配，则 A cm约为 0.005，CMRR 约为 66 dB。由于这一限制，我们无法使用运算放大器和分立电阻器来实现高 CMRR。
　　相反，我们需要采用集成解决方案，其中使用沉积在 IC 基板上的激光微调薄膜电阻器来实现电阻器之间的高度匹配。此类集成解决方案可获得大于 100 dB 的 CMRR。
　　尽管差分放大器可以提供非常高的共模抑制，但它仍然有一些局限性。例如，对于差分放大器，输入端子的阻抗相对较低并且不相等。这会导致电桥电路产生不平衡负载效应，并允许共模电压在输出端产生误差信号。