仪表放大器INA在微弱信号测量中的应用¶
难度：🟡 中级 | 领域：模拟前端 | 关键词：INA, CMRR, 电桥 | 阅读时间：约 16 分钟
日常类比¶
嘈杂宴会里听清对面低语，要靠“两耳之差”而不是把喇叭开到最大——仪表放大器（Instrumentation Amplifier, INA）放大差分、压制共模。称重电桥、心电与分流器微伏～毫伏信号，离开高共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio, CMRR）的 INA 很难干净进 ADC[2][4]。
摘要¶
对比普通运放差分接法与三运放 INA、增益电阻设定、CMRR/噪声与典型器件选型。CMRR 随频率下降，手册直流指标不可直接当交流保证[1][4]。
1. 为何不是普通运放¶
| 方案 | 输入阻抗 | 增益设定 | CMRR 可预期性 |
|---|---|---|---|
| 分立差分对 | 难对称 | 多电阻匹配 | 差 |
| 三运放 INA | 高 | 常单电阻 Rg | 片内匹配好 |
| 专用 INA IC | 高 | 固定或 Rg | 有规格保证 |
经典结构：两级缓冲差分 + 差分转单端；\(G = 1 + 2R/R_g\)（具体常数见手册）[1]。
2. 关键指标¶
| 指标 | 意义 | IoT 注意 |
|---|---|---|
| CMRR | 抑制线路共模与电源干扰 | 看目标频率处数值 |
| 输入偏置/失调 | 电桥零点 | 斩波/自动归零类型更优 |
| 噪声密度 | 分辨率底噪 | 与带宽、源电阻匹配 |
| 供电与轨到轨 | 电池系统 | 选微功耗 INA |
| 器件方向 | 场景 |
|---|---|
| INA128 类 | 通用精密 |
| INA333 等零漂 | 慢变电桥/温度 |
| 电流检测 INA | 分流器高边/低边（注意共模范围） |
3. 布局与应用¶
开尔文连传感器；Rg 靠近芯片；模拟地与回流干净；增益后加抗混叠再进 ADC。电桥激励可用恒压/恒流，注意激励噪声经 CMRR 泄漏[4][9]。
4. 局限、挑战与可改进方向¶
1. 高频 CMRR 恶化¶
局限：射频整流与工频谐波处抑制不足。 改进：输入 RC/共模滤波；屏蔽与电缆双绞[2]。
2. 增益带宽折中¶
局限：高增益下带宽与稳定裕度下降。 改进：增益分配（INA + 后级）；按信号频谱选型[1]。
3. 源阻抗不平衡¶
局限：破坏 CMRR，电桥引线不对称尤甚。 改进：等长布线、缓冲、护环[4]。
4. 功耗¶
局限：精密双电源 INA 不适合纽扣电池常开。 改进：微功耗零漂 INA + 占空比激励[5]。
总结¶
INA 是电桥与微弱差分信号的标准前端：先保证 CMRR 与布局，再追增益位数。选型看共模范围、零漂与噪声，而不是只看最大增益。
参考文献¶
[1] Texas Instruments, INA128/INA129 数据手册. [2] Analog Devices, Instrumentation Amplifier Applications Guide. [3] W. Jung, Op Amp Applications Handbook（INA 章节）. [4] C. Kitchin, L. Counts, A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers, ADI. [5] Texas Instruments, INA333 数据手册. [6] 电桥传感器激励与读出应用笔记. [7] 斩波稳零与自动归零放大器技术文献. [8] ADC 驱动与抗混叠和 INA 接口笔记. [9] PCB 护环与精密模拟布局指南. [10] 分流器电流检测 INA 选型指南（TI/ADI）. [11] 心电/生物电位前端特殊要求综述（安全隔离另论）. [12] 噪声分析（电压/电流噪声与源电阻匹配）教材章节.