儀表放大器（Instrument Amplifier，簡稱儀放）在高精密低頻信號檢測中發(fā)揮著重要作用，如溫度、壓力等電橋差分測量、電流取樣及生物電信號放大。這些信號通常具有差分信號、幅度較小、源阻抗較高以及共模電壓變化較大的特點(diǎn)。為了確保信號的精確放大，直流精度要求較高，失調(diào)電壓和失調(diào)電流是我們關(guān)注的重要參數(shù)。此外，共模抑制比（CMRR）也是影響儀表放大器精度的關(guān)鍵因素。

共模抑制比的重要性

共模抑制比（CMRR）描述了放大器對共模電壓變化的抑制能力，通常以dB值表示。舉例來說，80dB的CMRR意味著當(dāng)輸入端的共模電壓變化1V時(shí)，輸出電壓的變化僅為0.1mV。如果放大倍數(shù)為1000，則對應(yīng)的輸出失調(diào)電壓將變化100mV。因此，CMRR越高，放大器對共模干擾的抑制效果越好，輸出信號的精度也越高。

公式上，儀表放大器的輸出失調(diào)電壓變化與增益有關(guān)。具體來說，輸出失調(diào)電壓$V_{out}$Vout 與輸入共模電壓$V_{cm}$Vcm 和增益$Gain$Gain 的關(guān)系可以表示為：$V_{out}=V_{cm}\times \left(\frac{1}{CMRR}\right)\times Gain$Vout=Vcm×(CMRR1)×Gain

實(shí)際上，儀表放大器的CMRR指標(biāo)在不同的增益下是不同的。例如，德州儀器（TI）的高精度零失調(diào)儀表放大器INA188，在增益為1時(shí)，CMRR最小值為84dB；而在增益為1000時(shí)，CMRR的最小值為118dB，典型值為130dB。這意味著使用INA188放大1000倍時(shí)，1V的共模電壓變化，典型情況下輸出失調(diào)電壓變化僅為0.3mV，足以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場景的要求。

應(yīng)用場景深入解析

一個(gè)典型的電橋測量方案包括前級差分儀表放大器、電平移位限幅緩沖驅(qū)動ADC等結(jié)構(gòu)，用于提供高精度的小信號采樣。以下是一些常見的儀表放大器及其特性：

INA188：這款高精度零失調(diào)儀表放大器在增益為10時(shí)，CMRR最小值大于100dB，適用于從高電壓到低功耗的各種場合。

INA826：這款儀表放大器具有低噪聲和高精度的特點(diǎn)，適用于需要高精度信號采集的應(yīng)用。

INA333：這是一款低功耗的儀表放大器，適用于電池供電設(shè)備等對功耗有嚴(yán)格要求的場合。

此外，TI全新一代的E-trim運(yùn)算放大器OPA196，直流失調(diào)電壓低于100uV，而OPA191更是達(dá)到了5uV的超低失調(diào)電壓。這些高性能放大器不僅提高了系統(tǒng)的精度，還降低了設(shè)計(jì)難度和成本，提升了產(chǎn)品的競爭力。

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實(shí)例分析：電橋測量系統(tǒng)

在一個(gè)典型的電橋測量系統(tǒng)中，儀表放大器的作用至關(guān)重要。假設(shè)我們使用INA188作為前級差分放大器，其CMRR在增益為10時(shí)的最小值大于100dB。假設(shè)輸入共模電壓$V_{cm}$Vcm 變化1V，那么根據(jù)公式計(jì)算：$V_{out}=1V\times \left(\frac{1}{100dB}\right)\times 10$Vout=1V×(100dB1)×10由于$100dB=10^5$100dB=105，則：$V_{out}=1V\times \left(\frac{1}{10^5}\right)\times 10=0.1mV$Vout=1V×(1051)×10=0.1mV

這個(gè)結(jié)果表明，即使輸入共模電壓變化1V，輸出失調(diào)電壓僅變化0.1mV，這對于大多數(shù)高精度測量系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠精確。

結(jié)論

總之，儀表放大器在高精密低頻信號檢測中扮演著至關(guān)重要的角色。通過選擇合適的儀表放大器并優(yōu)化其CMRR和失調(diào)電壓等關(guān)鍵參數(shù)，可以顯著提高系統(tǒng)的精度和可靠性。無論是溫度、壓力測量還是生物電信號放大，儀表放大器都能提供穩(wěn)定可靠的性能。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，儀表放大器將繼續(xù)推動更多領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)更精確、更高效的電子系統(tǒng)。無論是在科學(xué)研究還是工業(yè)生產(chǎn)中，它都展示了其不可替代的價(jià)值。