【導(dǎo)讀】儀表放大器因其高共模抑制比（CMRR）、高輸入阻抗和低噪聲特性，被廣泛用于傳感器信號調(diào)理、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)In-Amp（如AD620、INA128）通常采用單端輸出架構(gòu)，輸入共模范圍（Vcm）受限于電源電壓，且成本較高（單價約3~10美元）。在需要處理 **微小差分信號（μV~mV級）** 且存在 大共模電壓（±10V以上） 的場景（如電橋傳感器、電機(jī)電流檢測），傳統(tǒng)方案往往無法滿足需求。
引言
傳統(tǒng)儀表放大器的困境
儀表放大器（Instrumentation Amplifier, In-Amp）因其高共模抑制比（CMRR）、高輸入阻抗和低噪聲特性，被廣泛用于傳感器信號調(diào)理、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)In-Amp（如AD620、INA128）通常采用單端輸出架構(gòu)，輸入共模范圍（Vcm）受限于電源電壓，且成本較高（單價約3~10美元）。在需要處理 **微小差分信號（μV~mV級）** 且存在 大共模電壓（±10V以上） 的場景（如電橋傳感器、電機(jī)電流檢測），傳統(tǒng)方案往往無法滿足需求。
本文將提出三種低成本改造方案，通過 單端轉(zhuǎn)差分電路 和 共模范圍擴(kuò)展設(shè)計 ，利用通用運(yùn)放（Op-Amp）或低成本In-AMp實現(xiàn)高性能信號調(diào)理，并對比各方案的成本與性能邊界。
方案一：基于通用運(yùn)放的差分輸出儀表放大器
電路架構(gòu)與原理
通過三級運(yùn)放組合構(gòu)建差分輸出，核心設(shè)計如下：
1. 輸入級：兩級同相放大器（U1、U2）提供高輸入阻抗與共模抑制；
2. 輸出級：差分放大器（U3）將單端信號轉(zhuǎn)換為差分輸出，并抑制共模噪聲。
*電路示例：使用OP07運(yùn)放構(gòu)建差分輸出In-Amp，總成本<$1.5*
關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)
● 增益公式：
● 共模范圍擴(kuò)展：
輸入級運(yùn)放采用軌到軌輸入（如MCP6002），可將共模范圍擴(kuò)展至（V- + 0.1V）~（V+ - 0.1V）。
性能實測（以電橋傳感器為例）
方案二：低成本In-Amp+單端轉(zhuǎn)差分電路
電路設(shè)計
選擇低成本In-Amp（如AD8429，單價$1.8）作為前置放大器，后接差分驅(qū)動器（如DRV134）實現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分輸出。
優(yōu)勢與局限
● 優(yōu)勢：
●AD8429支持±18V輸入共模電壓，CMRR≥100dB；
●DRV134提供±10V差分輸出，帶寬達(dá)200kHz。
● 局限：
●總成本較高（約$4.5），但比傳統(tǒng)方案（如AD620+AD8476）低40%。
工業(yè)應(yīng)用案例
某電機(jī)電流檢測模塊中，采用AD8429+DRV134方案處理±15V共模電壓下的10mV分流器信號，實測噪聲密度≤10nV/√Hz，滿足0.1%精度要求。
方案三：集成差分輸出的低成本In-Amp
器件選型與特性
選擇內(nèi)置差分輸出的新型In-Amp（如TI INA823，單價$2.5），其特性包括：
● 輸入共模范圍：-Vs + 0.1V ~ +Vs - 0.1V；
● 差分輸出擺幅：±12V（±15V供電）；
● CMRR：110dB（典型值）。
電路簡化設(shè)計
INA823應(yīng)用電路圖
成本與性能對比
設(shè)計要點與實戰(zhàn)建議
1. 共模范圍擴(kuò)展技巧：
●輸入級采用軌到軌運(yùn)放（如TLC2272）；
●添加共模反饋電路（CMFB），動態(tài)調(diào)整輸入偏置。
2. 噪聲抑制策略：
●輸入級并聯(lián)低通濾波器（截止頻率<1kHz）；
●使用金屬膜電阻（溫漂≤50ppm/℃）降低熱噪聲。
3. PCB布局優(yōu)化：
●差分走線等長對稱，間距≥3倍線寬；
●電源退耦電容（0.1μF+10μF）貼近芯片引腳。
結(jié)語：低成本≠低性能
低成本儀表放大器的設(shè)計證明，通過電路架構(gòu)創(chuàng)新與器件選型優(yōu)化，高性能與大共模信號處理能力并非高成本方案的專屬領(lǐng)域。通用運(yùn)放組合方案以不足2美元的成本實現(xiàn)±12V共模范圍，為低頻傳感器場景提供經(jīng)濟(jì)選擇；集成差分輸出的INA823則以均衡性價比覆蓋中高頻精密測量需求；而在工業(yè)級超寬共模場景中，AD8429與差分驅(qū)動器的組合展現(xiàn)出可靠的抗干擾能力。隨著國產(chǎn)芯片廠商在模擬信號鏈領(lǐng)域的技術(shù)突破，低成本高性能儀表放大器將加速滲透至智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等新興領(lǐng)域，推動高精度信號調(diào)理技術(shù)的普惠化發(fā)展。
（數(shù)據(jù)來源：ADI）
推薦閱讀：
噪聲系數(shù)測量方法的技術(shù)演進(jìn)與工程實踐
厚膜電阻在工業(yè)控制裝備中的核心應(yīng)用與選型實踐
