【导读】仪表放大器因其高共模抑制比（CMRR）、高输入阻抗和低噪声特性，被广泛用于传感器信号调理、医疗设备和工业控制等领域。然而，传统In-Amp（如AD620、INA128）通常采用单端输出架构，输入共模范围（Vcm）受限于电源电压，且成本较高（单价约3~10美元）。在需要处理 **微小差分信号（μV~mV级）** 且存在 大共模电压（±10V以上） 的场景（如电桥传感器、电机电流检测），传统方案往往无法满足需求。
引言
传统仪表放大器的困境
仪表放大器（Instrumentation Amplifier, In-Amp）因其高共模抑制比（CMRR）、高输入阻抗和低噪声特性，被广泛用于传感器信号调理、医疗设备和工业控制等领域。然而，传统In-Amp（如AD620、INA128）通常采用单端输出架构，输入共模范围（Vcm）受限于电源电压，且成本较高（单价约3~10美元）。在需要处理 **微小差分信号（μV~mV级）** 且存在 大共模电压（±10V以上） 的场景（如电桥传感器、电机电流检测），传统方案往往无法满足需求。
本文将提出三种低成本改造方案，通过 单端转差分电路 和 共模范围扩展设计 ，利用通用运放（Op-Amp）或低成本In-AMp实现高性能信号调理，并对比各方案的成本与性能边界。
方案一：基于通用运放的差分输出仪表放大器
电路架构与原理
通过三级运放组合构建差分输出，核心设计如下：
1. 输入级：两级同相放大器（U1、U2）提供高输入阻抗与共模抑制；
2. 输出级：差分放大器（U3）将单端信号转换为差分输出，并抑制共模噪声。
*电路示例：使用OP07运放构建差分输出In-Amp，总成本<$1.5*
关键设计参数
● 增益公式：
● 共模范围扩展：
输入级运放采用轨到轨输入（如MCP6002），可将共模范围扩展至（V- + 0.1V）~（V+ - 0.1V）。
性能实测（以电桥传感器为例）
方案二：低成本In-Amp+单端转差分电路
电路设计
选择低成本In-Amp（如AD8429，单价$1.8）作为前置放大器，后接差分驱动器（如DRV134）实现单端转差分输出。
优势与局限
● 优势：
●AD8429支持±18V输入共模电压，CMRR≥100dB；
●DRV134提供±10V差分输出，带宽达200kHz。
● 局限：
●总成本较高（约$4.5），但比传统方案（如AD620+AD8476）低40%。
工业应用案例
某电机电流检测模块中，采用AD8429+DRV134方案处理±15V共模电压下的10mV分流器信号，实测噪声密度≤10nV/√Hz，满足0.1%精度要求。
方案三：集成差分输出的低成本In-Amp
器件选型与特性
选择内置差分输出的新型In-Amp（如TI INA823，单价$2.5），其特性包括：
● 输入共模范围：-Vs + 0.1V ~ +Vs - 0.1V；
● 差分输出摆幅：±12V（±15V供电）；
● CMRR：110dB（典型值）。
电路简化设计
INA823应用电路图
成本与性能对比
设计要点与实战建议
1. 共模范围扩展技巧：
●输入级采用轨到轨运放（如TLC2272）；
●添加共模反馈电路（CMFB），动态调整输入偏置。
2. 噪声抑制策略：
●输入级并联低通滤波器（截止频率<1kHz）；
●使用金属膜电阻（温漂≤50ppm/℃）降低热噪声。
3. PCB布局优化：
●差分走线等长对称，间距≥3倍线宽；
●电源退耦电容（0.1μF+10μF）贴近芯片引脚。
结语：低成本≠低性能
低成本仪表放大器的设计证明，通过电路架构创新与器件选型优化，高性能与大共模信号处理能力并非高成本方案的专属领域。通用运放组合方案以不足2美元的成本实现±12V共模范围，为低频传感器场景提供经济选择；集成差分输出的INA823则以均衡性价比覆盖中高频精密测量需求；而在工业级超宽共模场景中，AD8429与差分驱动器的组合展现出可靠的抗干扰能力。随着国产芯片厂商在模拟信号链领域的技术突破，低成本高性能仪表放大器将加速渗透至智能传感、物联网设备等新兴领域，推动高精度信号调理技术的普惠化发展。
（数据来源：ADI）
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