儀表放大器（儀表放大器）是專用放大器，旨在提取小差分信號，同時抑制大共模信號。在本文中，我們將檢查電橋測量系統(tǒng)，以說明為什么儀表放大器需要具有高共模抑制才能成功提取小差分信號。
　　我們還將了解一種特殊類型的差分放大器，稱為差分放大器。這些放大器具有非常高的共模抑制能力，并被應(yīng)用于當(dāng)今的許多儀表放大器 IC 中。在下一篇文章中，我們將看到除了具有高共模抑制之外，儀表放大器還應(yīng)該提供高且相等的輸入阻抗?！　?br>　　電橋測量系統(tǒng)：典型的儀表放大器應(yīng)用

　　考慮如下所示的電橋測量系統(tǒng)。

　　圖 1. 電橋測量系統(tǒng)電路　
　　在這種情況下，根據(jù)所測量的物理參數(shù)，電阻器R 4發(fā)生變化并導(dǎo)致節(jié)點A和B之間的電壓差。
　　放大級應(yīng)將電橋電壓差（通常在 0-20 mV 范圍內(nèi)）轉(zhuǎn)換為 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入范圍內(nèi)的電壓（通常為 0-5 V）。應(yīng)考慮放大器的幾個不同參數(shù)，例如噪聲、帶寬、線性度、功率和輸入/輸出擺幅。然而，在此特定應(yīng)用中，有兩個放大器參數(shù)至關(guān)重要：共模抑制和輸入阻抗。
　　我們將在下面討論為什么放大器需要具有高共模抑制才能成功提取小差分信號。放大器輸入阻抗的影響將在下一篇文章中討論?！　?br>　　橋輸出由共模和差分信號組成

　　放大器輸入端出現(xiàn)的信號可以分解為差分信號和共模信號。例如，假設(shè)電橋電阻值如圖 2 所示。

　

　　圖 2. 調(diào)整電橋電阻值　
　　在這種情況下，節(jié)點 A 和 B 處的電壓將為：　
　　\[v_A=\frac{120}{120+3900} \times 8 = 238.8\, \textit{mV}\]
　　\[v_B=\frac{100}{100+3900} \times 8 = 200\, \textit{mV}\]　
　　這可以分解為以下差分 (v d ) 和共模 (v c ) 信號：　
　　\[v_C=\frac{v_A+v_B}{2}= \frac{238.8+200}{2}= 219.4\, \textit{mV}\]
　　\[v_d=v_A - v_B = 238.8 - 200 = 38.8\, \textit{mV}\]　
　　因此，戴維南電橋等效圖如圖 3 所示。 

　　

　　圖 3. 戴維寧電橋等效值　
　　這里，R th1和R th2是兩個橋支路的等效電阻，分別為116.4 Ω和97.5 Ω。理想情況下，我們期望輸出是差分信號的放大版本（與所測量的物理參數(shù)相關(guān)）。因此，我們期望： 　　
　　\[v_{out}=A_dv_d\]　　
　　其中 A d指定放大器的差分增益。然而，實際上，輸入共模信號也會對輸出電壓產(chǎn)生影響，我們有：　　
　　\[v_{out}=A_d v_d + A_{cm} v_c\]
　　等式 1?！?br>　　其中 A cm表示放大器的共模增益?！　?br>　　為什么放大器要抑制共模信號？ 
　　由于等式 1 中的 v c和 A cm均為常數(shù)，因此輸出端的誤差也將是常數(shù)。然而，共模增益 A cm會隨著感興趣帶寬中的頻率而變化。此外，節(jié)點A和B處出現(xiàn)的任何共模噪聲都會改變v c。例如，為電橋供電的直流電源的噪聲會影響 v c。 
　　此外，共模電壓可以是電橋電阻器的函數(shù)。例如，當(dāng)圖2中的電橋平衡時（R 4 =100Ω），v c將為200 mV，而不是上例中獲得的219.4 mV。因此，共模電壓可能會導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)變化的誤差電壓。我們需要一個能夠放大 v d同時抑制共模信號的放大器?！　?br>　　放大器的共模抑制
　　放大器抑制共模信號的能力通過共模抑制比 (CMRR) 來量化，共模抑制比定義為差分增益除以共模增益。
　　讓我們看一下一些典型值。假設(shè)橋式放大器輸出端的滿量程擺幅為 5V，我們希望將共模電壓的誤差保持在滿量程值 (5V) 的 0.02% 以下。當(dāng) v c =200 mV 時，放大器共模增益為：　　
　　\[A_{cm}=\frac{0.0002\times 5\,V}{200\,mV}=0.005\]　　
　　典型差分增益為 100 時，A cm =0.005 的 CMRR 為 　
　　\[\textbf{CMRR} = \frac {A_d}{A_{cm}}= \frac {100}{0.005}=20000=86 \, dB\]　　
　　簡單的運放放大器能否提供足夠的 CMRR？
　　我們知道運算放大器的設(shè)計目的是放大差分信號，同時抑制輸入的共模分量。
　　您可能想知道是否可以使用簡單的反相或同相運放放大器來提取橋電路的微弱差分信號？
　　讓我們檢查一下圖 4 中所示運算放大器的共模增益。

　　

　　圖 4. 運算放大器放大器電路示例　　
　　負反饋以及運算放大器的高增益將迫使運算放大器的反相輸入和非反相輸入具有相同的電壓。將共模電壓 v c施加到節(jié)點 A 和 B 時，我們將得到　
　　\[v_{in-}= v_{in+}= v_A = v_c\]　　
　　由于 v c也施加到節(jié)點 B，因此流過 R 1的電流以及流過 R F 的電流將為零。因此，我們將有　
　　\[v_{out}= v_{in-}= v_c\]　　
　　這意味著節(jié)點 A 和 B 處出現(xiàn)的任何共模電壓都將以增益 1 傳輸?shù)捷敵?。差分增益?100 時，CMRR 將為：　　
　　\[CMRR =\frac{A_d}{A_{cm}} = \frac{100}{1} = 40 \, dB\]　　
　　這對于許多應(yīng)用程序來說是不可接受的。　　
　　差動放大器怎么樣？
　　圖 5 所示的差分放大器可以實現(xiàn)更高的 CMRR。

　　

　　圖 5. 差分放大器　　
　　可以看出，輸出方程如下：　　
　　\[v_{out}=\frac{R_4}{R_1} \times \frac {R_1 + R_2}{R_3 + R_4} \times v_A - \frac {R_2}{R_1} \times v_B\]　
　　對于 \(\frac {R_2}{R_1}=\frac{R_4}{R_3}\)，我們有：　　
　　\[v_{out}=\frac {R_2}{R_1}\left ( v_A-v_B \right )\]　
　　該方程表明任何共模電壓都將被放大器完全抑制，即 v A =v B時，v out =0。然而，實際上，差分放大器的共模抑制是有限的。這是因為比率 \(\frac {R_2}{R_1}\) 不會完全等于 \(\frac{R_4}{R_3}\)。 
　　例如，假設(shè)我們選擇R 1 =R 2 =R 3 =R 4以使差分增益為1。理想情況下，共模增益應(yīng)為零。然而，如果只有一個電阻器存在 0.1% 的失配，則 A cm約為 0.005，CMRR 約為 66 dB。由于這一限制，我們無法使用運算放大器和分立電阻器來實現(xiàn)高 CMRR。
　　相反，我們需要采用集成解決方案，其中使用沉積在 IC 基板上的激光微調(diào)薄膜電阻器來實現(xiàn)電阻器之間的高度匹配。此類集成解決方案可獲得大于 100 dB 的 CMRR。
　　盡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，對于差分放大器，輸入端子的阻抗相對較低并且不相等。這會導(dǎo)致電橋電路產(chǎn)生不平衡負載效應(yīng)，并允許共模電壓在輸出端產(chǎn)生誤差信號。