三运放仪表放大器的误解与设计挑战

本文档深入探讨了被广泛误解的三运放仪表放大器工作原理及其潜在问题。通常，人们认为这种简单的电路结构利用基本运算放大器实现差动输入，但其实它的性能并非如表面那样直观。首先，文章指出运算放大器内部的失调电压误差是常见的理解误区，但其开环增益和共模抑制（CMR）的计算方式相对稳定。 共模抑制是仪表放大器的关键特性，它衡量的是系统对共模电压变化的抑制能力。公式中的G代表系统增益，VCM是输入端的共模电压变化，而VOUT是相应输出电压的变化。理想的三运放仪表放大器在平衡的电阻配置下（如R1=R3，R2=R4），CMR理论上可以无限大。然而，在实际应用中，电阻间的微小差异（如R3：R4与R1：R2的比例误差）会导致CMR下降，比如1%的误差可能导致CMR从理想状态降至66分贝。 文章强调了系统增益与CMR的关系：随着增益的提高，CMR也会增加，这对仪表放大器的设计者来说是个优势。然而，这也带来了一个挑战，即高增益下，运算放大器A1和A2的开环增益误差和噪声变得更为显著，因为它们与输出幅度成正比。这些误差通过RSS公式反映出来，使得在追求更高增益的同时，CMR性能会有所下降。 因此，设计仪表放大器时必须权衡这些因素，既要考虑所需的增益范围，又要确保足够的共模抑制，以确保信号质量不受误差影响。尽管三运放仪表放大器看似基础，但在实际设计和优化过程中，需要对每个细节有深入的理解和精细的调整。