【導讀】儀表放大器因其高共模抑製比（CMRR）、高輸入阻抗和低噪聲特性，被廣泛用於傳感器信號調理、醫療設備和工業控製等領域。然而，傳統In-Amp（如AD620、INA128）通常采用單端輸出架構
，輸入共模範圍（Vcm）受限於電源電壓，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
、電機電流檢測），傳統方案往往無法滿足需求。

引言

傳統儀表放大器的困境

儀表放大器（Instrumentation Amplifier, In-Amp）因其高共模抑製比（CMRR）、高輸入阻抗和低噪聲特性，被廣泛用於傳感器信號調理、醫療設備和工業控製等領域。然而
，傳統In-Amp（如AD620
、INA128）通常采用單端輸出架構，輸入共模範圍（Vcm）受限於電源電壓，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、電機電流檢測）
，傳統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 單端轉差分電路 和 共模範圍擴展設計 
，利用通用運放（Op-Amp）或低成本In-AMp實現高性能信號調理，並對比各方案的成本與性能邊界。

方案一：基於通用運放的差分輸出儀表放大器

電路架構與原理

通過三級運放組合構建差分輸出，核心設計如下：

1. 輸入級：兩級同相放大器（U1
、U2）提供高輸入阻抗與共模抑製；

2. 輸出級：差分放大器（U3）將單端信號轉換為差分輸出
，並抑製共模噪聲。

*電路示例：使用OP07運放構建差分輸出In-Amp，總成本<$1.5*

關鍵設計參數

● 增益公式：

● 共模範圍擴展：

輸入級運放采用軌到軌輸入（如MCP6002），可將共模範圍擴展至（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+單端轉差分電路

電路設計

選擇低成本In-Amp（如AD8429，單價$1.8）作為前置放大器，後接差分驅動器（如DRV134）實現單端轉差分輸出。

優勢與局限

● 優勢：

          ●AD8429支持±18V輸入共模電壓，CMRR≥100dB

；

          ●DRV134提供±10V差分輸出，帶寬達200kHz。

● 局限：

      ●總成本較高（約$4.5），但比傳統方案（如AD620+AD8476）低40%。

工業應用案例

某電機電流檢測模塊中，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：

● 輸入共模範圍：-Vs + 0.1V ~ +Vs - 0.1V
；

● 差分輸出擺幅：±12V（±15V供電）
；

● CMRR：110dB（典型值）。

電路簡化設計

INA823應用電路圖

成本與性能對比

設計要點與實戰建議

1. 共模範圍擴展技巧：

          ●輸入級采用軌到軌運放（如TLC2272）；

          ●添加共模反饋電路（CMFB），動態調整輸入偏置。

2. 噪聲抑製策略：

          ●輸入級並聯低通濾波器（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。

結語：低成本≠低性能

低(di)成(cheng)本(ben)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)的(de)設(she)計(ji)證(zheng)明(ming)，通(tong)過(guo)電(dian)路(lu)架(jia)構(gou)創(chuang)新(xin)與(yu)器(qi)件(jian)選(xuan)型(xing)優(you)化(hua)，高(gao)性(xing)能(neng)與(yu)大(da)共(gong)模(mo)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)能(neng)力(li)並(bing)非(fei)高(gao)成(cheng)本(ben)方(fang)案(an)的(de)專(zhuan)屬(shu)領(ling)域(yu)。通(tong)用(yong)運(yun)放(fang)組(zu)合(he)方(fang)案(an)以(yi)不(bu)足(zu)2美元的成本實現±12V共模範圍，為低頻傳感器場景提供經濟選擇
；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；而在工業級超寬共模場景中，AD8429與yu差cha分fen驅qu動dong器qi的de組zu合he展zhan現xian出chu可ke靠kao的de抗kang幹gan擾rao能neng力li。隨sui著zhe國guo產chan芯xin片pian廠chang商shang在zai模mo擬ni信xin號hao鏈lian領ling域yu的de技ji術shu突tu破po，低di成cheng本ben高gao性xing能neng儀yi表biao放fang大da器qi將jiang加jia速su滲shen透tou至zhi智zhi能neng傳chuan感gan、物聯網設備等新興領域
，推動高精度信號調理技術的普惠化發展。
（數據來源：ADI）

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