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我们使用放大电路时经常会使用到仪表放大电路，其中以三运放组成的仪表放大电路最为经典，那么什么是三运放仪表放大电路？又是如何演变过来的呢？具体电路又应当如何设计？这里对三运放仪表放大电路原理做下简单介绍。

什么是三运放仪表放大电路

三运放仪表放大电路是个非常经典的电路，由三个运放组成基本电路，其中第一级为两个同相比例放大器，第二级差分放大器。其特点是采用差分输入、具有很高的输出阻抗和共模抑制比，能够有效放大在共模干扰下的信号。

当R1=R3，R2=R4,R5=R6时，表达式为：Vo=（Vin+-Vin-）（1+2R5/Rg）（R2/R1）

图1 三运放仪表放大电路示意图

三运放仪表放大电路演变过程

三运放仪表放大电路本身也是由最基本的放大器一步步演变成现在的这种经典电路。

其演变过程是：差分放大器→前置电压跟随器→前置同相放大器→三运放仪表放大器。

差分放大器

下图2所示为单运放组成的差分放大电路。

图2 单运放差分放大电路示意图

当R1=R3，R2=R4时，其表达式为Vo=[(Vin+)-(Vin-)](R2/R1)

这一电路提供了仪表放大器功能，即放大差分信号的同时抑制共模信号，但它也有些缺陷。首先，同相输入端和反相输入端阻抗相当低而且不相等。在这一例子中Vin-反相输入阻抗等于 10k，而Vin+同相输入阻抗等于反相输入阻抗的两倍，即20k。因此，当电压施加到一个输入端而另一端接地时，差分电流将会根据输入端接收的施加电压而流入。(这种源阻抗的不平衡会降低电路的CMRR)。

注释：

1　运放输入端的电流，一律视为0。

2　R1和R2的电流来源是不同的：R1的电流由Vin1提供，R2的电流由Vout提供。两者流向虽然相同，但R2的电流是由Vout主动“吸”走的（注意到这是反相放大就不难理解）不是Vin1引起。因为只有这样运放才能保持“平衡”——这种“平衡”是运放的“本能（基本特征）”。

3　R3和R4的电流都是由Vin2提供（引起）的，因此，计算阻抗时要一并考虑进去。REF（不管它是否为0）对这一电流不存在“主动”影响，只存在固有影响（即不随输入变化而变化）。

为什么“R1的电流由Vin1提供，R2的电流由Vout提供”呢？

因为Vin1变化导致②的电压≠③的电压，只能请Vout大叔来“帮倒忙”（朝Vin1相反的方向拉一下）才能让②的电压＝③的电压 .

另外，这一电路要求电阻对R1 /R2和R3 /R4的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。

为解决以上问题，我们在运放的正负输入端都加上电压跟随器以提高输入阻抗。

前置电压跟随器

调整之后的电路如图3所示，为前置跟随器减法器电路。

图3 前置跟随器的减法器电路示意图

当R1=R3，R2=R4时，其表达式为Vo=[(Vin+)-(Vin-)](R2/R1)

虽然输入阻抗的问题解决了，但是其受电阻匹配精度影响大的问题，仍然存在。如果电阻不匹配，就有可能导致增益误差。

前置同相放大器

由前面分析可知，在放大电路中，当有信号输入时，交流量与直流量共存。

图4 前置同相放大器的减法器电路示意图

当R1=R3，R2=R4，R5=R8，R6=R7时，其表达式为Vo=[(Vin+)-(Vin-)](1+R5/R6)(R2/R1)

在上述电路中，第一级的同相放大器增加增益时，对差分信号增加相同增益，也对共模信号增加相同增益。换而言之，上述电路相对于原电路的共模抑制比并没有增加。

标准三运放仪表放大电路

下图5如前图1基本相同，新增运放位号对应标识，为标准的三运放仪表放大电路。

图5 标准三运放仪表放大电路示意图

当R1=R3，R2=R4,R5=R6时，

表达式为：Vo=[(Vin+)-(Vin-)](1+2R5/Rg)(R2/R1)

注释：

仪表放大器[nstrumentation Amplifier-INA)，也称测量放大器，是一种常用于仪器仪表前端，直接与传感器接触的集成放大器。它具有两个高输入电阻的差动输入端，输出为两个输入端电位差的指定增益倍数。它的输入输出关系，与减法器相同，均为︰

由于上述表达式的成立，可以看出，它完全抑制掉了输入端存在的共模电压信号，因此仪表放大器具有极高的共模抑制比 CMRR。

它与减法器的区别是，第一，它的输入端是高阻的，即输入电阻接近无穷大;第二，它的增益通常是一个电阻调节的，使用者非常容易实施控制。加之它内部的电阻也是集成工艺生产的，匹配性很好，因此说，它彻底解决了减法器存在的那三个问题。

下图是由三个运算放大器组成的仪表放大器的原理电路，简称为三运放仪表放大器。图中的小圆圈，代表实际仪表放大器的输入输出管脚。

根据虚短虚断法，列出等式如下:

根据叠加定理，得：

仪表放大器总增益：

由一个外部电阻Rg，即可控制电路增益。注意，Rg可以悬空，但不能短路。

VRE管脚，用于控制输出电压的中心位置。双电源供电时，它一般接地。单电源供电时，它一般接1/2电源电压。

这种标准的三运放仪表放大器电路，是对前置跟随器的减法器电路做了巧妙的改进。第一级的A1和A2放大器用于缓冲输入电压，单个增益电阻器Rg连接在两个输入缓冲器的求和点之间，取代了之前前置同相放大器的R6和R7。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在Rg两端。因为输入电压经过放大后（A1和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，Rg和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变Rg进行调整。

这种连接有另外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R1 = R3，R2= R4和R5 = R6，则VOUT = (VIN+-VIN-)(1+2R5/Rg)(R2/R1)。由于Rg两端的电压等于VIN，所以流过Rg的电流等于VIN/Rg，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG(也就无电流流过R5和R6)，放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。

因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1+(2 RF/Rg)〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1+(2 RF/Rg)〕倍。

在理论上表明，可以得到需求所要求的前端增益(由Rg来决定)，而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益(差分输入电压)/(共模误差电压)〕将增大。因此CMRR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。

最后，由于结构上的对称性，输入放大器的共模误差，如果共模误差跟踪的话，将被输出级的减法器相抵消。这包括诸如共模抑制随频率变换的误差。上述这些特性便是这种三运放仪表放大电路得到广泛应用的原因。

总结

三运放仪表放大电路未使用专用的仪表放大器，仅使用普通的三个运放实现仪表放大器的作用，相对于其他的差分放大电路有着高精度、高共模抑制比、同时处理两个不同信号、增益可调、高输入阻抗、低输出阻抗等优势。

总的来说，三运放仪表放大器是一种功能强大、性能优良的电路设计，适用于许多需要处理差分信号、高精度和高CMRR的应用