Chapter-2:INSIDEANINSTRUMENTATIONAMPLIFIER
第第第第二二二二章章章章：：：：仪表放大器仪表放大器仪表放大器仪表放大器内部内部内部内部
1.ASimpleOpAmpSubtractorProvidesanIn-AmpFunction
简单运算放大器简单运算放大器简单运算放大器简单运算放大器型型型型减法器减法器减法器减法器实现仪表放大器功能实现仪表放大器功能实现仪表放大器功能实现仪表放大器功能
Thesimplest(butstillveryuseful)methodofimplementingadifferentialgainblockisshowninFigure
2-1.
差模增益模块最简单的实现方法如图2-1。
IfR1=R3andR2=R4,then
如果R1=R3，R2=R4，那么
1
2
12)(R
RVVV
ININOUT?=
Althoughthiscircuitprovidesanin-ampfunction,amplifyingdifferentialsignalswhilerejectingthose
thatarecommonmode,italsohassomelimitations.
虽然该电路可以实现仪表放大器的功能，放大差模信号而抑制共模信号，但仍有其局限性。
First,theimpedancesoftheinvertingandnon-invertinginputsarerelativelylowandunequal.Inthis
example,theinputimpedancetoVIN1equals100k?,whiletheimpedanceofVIN2istwicethat,at200
k?.Therefore,whenvoltageisappliedtooneinputwhilegroundingtheother,differentcurrentswill
flowdependingonwhichinputreceivestheappliedvoltage.(Thisunbalanceinthesources’resistances
willdegradethecircuit’sCMRR.).
首先，反相输入端、同相输入端的输入阻抗相对较低，而且不相等。本例，VIN1端的输入阻抗为
100KΩ，而VIN2输入端的阻抗为200KΩ。因此，当一个输入端施加电压，另一输入端接地时，
将产生差分电流，差分电流方向依赖于那个输入端施加信号、那个输入端接地。这种源电阻的不平
衡会降低电路的共模抑制比。
Furthermore,thiscircuitrequiresaverycloseratiomatchbetweenresistorpairsR1/R2andR3/R4;
otherwise,thegainfromeachinputwouldbedifferent—directlyaffectingcommon-moderejection.For
example,atagainof1,withallresistorsofequalvalue,a0.1%mismatchinjustoneoftheresistorswill
degradetheCMRtoalevelof66dB(1partin2000).Similarly,asourceresistanceimbalanceof100
willdegradeCMRby6dB.
另外，该电路要求电阻对R1/R2、R3/R4具有严格的比值匹配，否则，两个输入端的信号会有增
益差，直接影响共模抑制能力。例如，增益为1时、所有电阻等值选取的条件下，仅一个电阻0.1%
的失配度将使共模抑制比降低到66dB（两千分之一）。同样，源电阻失配100Ω，共模抑制比下
降6dB。
Inspiteoftheseproblems,thistypeofbarebonesin-ampcircuit,oftencalledadifferenceamplifieror
subtractor,isusefulasabuildingblockwithinhigherperformancein-amps.Itisalsoverypracticalasa
standalonefunctionalcircuitinvideoandotherhighspeeduses,orinlowfrequency,highcommon-mode
voltage(CMV)applications,wheretheinputresistorsdividedowntheinputvoltageaswellasprovide
inputprotectionfortheamplifier.SomemonolithicdifferenceamplifierssuchasAnalogDevices’AD629
employavariationofthesimplesubtractorintheirdesign.ThisallowstheICtohandlecommon-mode
inputvoltageshigherthanitsownsupplyvoltage.Forexample,whenpoweredfroma±15Vsupply,
theAD629canamplifysignalswithcommon-modevoltagesashighas±270V.
暂且不考虑这些问题，这种不加任何修饰的仪表放大器“骨架”模型，经常叫做差动（差分）放大
器，或减法器。作为较高性能的仪表放大器的内部构造模块非常有用，在视频及其它高速应用、低
频应用、高共模电压应用中，作为独立功能电路也非常实用，输入电阻对输入电压的分压，构成放
大器输入端的保护作用。一些单片差动放大器比如ADI公司的AD629，在他们的设计中成为简
单减法器的变形产品，使得他们的集成电路能够处理高于自身电源电压的共模信号。例如，采用±
15V电源电压时，AD629能够处理混有高达±127V共模电压的信号。
2.ImprovingtheSimpleSubtractorwithInputBuffering
带有输入缓冲的改进型简单减法器带有输入缓冲的改进型简单减法器带有输入缓冲的改进型简单减法器带有输入缓冲的改进型简单减法器
Anobviouswaytosignificantlyimproveperformanceistoaddhighinputimpedancebufferamplifiers
aheadofthesimplesubtractorcircuit,asshowninthe3-opampinstrumentationamplifiercircuitof
Figure2-2.
一个明显能够显著改善性能的方法，就是在简单减法器电路前面增加高输入阻抗缓冲放大器。如图
2-2所示，为3个运算放大器构成的仪表放大器。
Thiscircuitprovidesmatched,highimpedanceinputssothattheimpedancesoftheinputsourceswill
haveaminimaleffectonthecircuit’scommon-moderejection.Theuseofadualopampforthe2-input
bufferamplifiersispreferredbecausetheywillbettertrackeachotherovertemperatureandsaveboard
space.Althoughtheresistancevaluesaredifferent,thiscircuithasthesametransferfunctionasthecircuit
ofFigure2-1.
该电路具有匹配、高阻的输入端，因而信号源对电路共模抑制能力的影响降至最低。首选推荐方案，
采用双运算放大器构成两个输入缓冲放大器，因为温度变化时二者（处于同一封装内）能够相互跟
踪；采用双运算放大器还可以节省电路空间。尽管电阻值不同，该电路与图2-1电路具有相同的
传输函数。
Figure2-3showsfurtherimprovement:Nowtheinputbuffersareoperatingwithgain,whichprovidesa
circuitwithmoreflexibility.IfthevalueofR5=R8andR6=R7and,asbefore,R1=R3andR2=R4,
then
进一步改进如图2-3所示：此时的输入缓冲级具有了增益，使电路更加灵活。如果电阻值满足
R5=R8，R6=R7，R1=R3R2=R4，那么
))(1)((
1
2
6
5
!2R
R
R
RVVV
ININOUT+?=
WhilethecircuitofFigure2-3doesincreasethegain(ofA1andA2)equallyfordifferentialsignals,it
alsoincreasesthegainforcommon-modesignals.
然而，图2-3电路在同等程度提高缓冲放大器A1、A2的增益的同时，也提高了共模信号的增益。
3.The3-OpAmpIn-Amp
三运算放大器型仪表放大器三运算放大器型仪表放大器三运算放大器型仪表放大器三运算放大器型仪表放大器
ThecircuitofFigure2-4providesfurtherrefinementandhasbecomethemostpopularconfigurationfor
instrumentationamplifierdesign.Theclassic3-opampin-ampcircuitisaclevermodificationofthe
bufferedsubtractorcircuitofFigure2-3.Aswiththepreviouscircuit,opampsA1andA2ofFigure2-4
buffertheinputvoltage.However,inthisconfiguration,asinglegainresistor,RG,isconnectedbetween
thesummingjunctionsofthetwoinputbuffers,replacingR6andR7.Thefulldifferentialinputvoltage
willnowappearacrossRG(becausethevoltageatthesummingjunctionofeachamplifierisequaltothe
voltageappliedtoitspositiveinput).Sincetheamplifiedinputvoltage(attheoutputsofA1andA2)
appearsdifferentiallyacrossthethreeresistors,R5,RG,andR6,thedifferentialgainmaybevariedby
justchangingRG.
图2-4电路为进一步改良的电路，已经具备了仪表放大器设计的最普遍的配置形式。经典的3运
算放大器型仪表放大器，是对图2-3带有输入缓冲放大级的减法器电路的又一次绝妙修改。与前
述电路一样，图2-4电路中的运算放大器A1、A2同样对输入电压进行缓冲。但是，本电路中，
只有一个电阻RG连接在两个输入缓冲器的公共节点之间，以此代替原来的R6、R7。全部差模输
入电压出现在RG两端（因为每个缓冲放大器公共节点上的电压等于施加在同相输入端的电压）。
由于被放大了的输入电压（A1、A2输出端）以差分形式出现在三个电阻R5、RG、R6两端，因此
可通过调节RG来调节差模增益。
Thereisanotheradvantageofthisconnection:Oncethesubtractorcircuithasbeensetupwithits
ratio-matchedresistors,nofurtherresistormatchingisrequiredwhenchanginggains.IfthevalueofR5=
R6,R1=R3,andR2=R4,then
这样的连接还有另一个优点：一旦后面的减法器电路搭建完成，且所用电阻满足比值匹配条件，在
改变增益过程中，无需再次进行电阻匹配。如果满足R5=R6、R1=R3、R2=R4，那么
))(21)((
1
25
!2R
R
R
RVVV
G
ININOUT+?=
SincethevoltageacrossRGequalsVIN,thecurrentthroughRGwillequal(VIN/RG).AmplifiersA1and
A2,therefore,willoperatewithgainandamplifytheinputsignal.Note,however,thatifacommon-mode
voltageisappliedtotheamplifierinputs,thevoltagesoneachsideofRGwillbeequal,andnocurrent
willflowthroughthisresistor.SincenocurrentflowsthroughRG(nor,therefore,throughR5andR6),
amplifiersA1andA2willoperateasunity-gainfollowers.Therefore,commonmodesignalswillbe
passedthroughtheinputbuffersatunitygain,butdifferentialvoltageswillbeamplifiedbythefactor(1+
(2RF/RG)).
因为电阻RG两端的电压等于VIN，流过RG的电流等于VIN/RG，因此放大器A1、A2具有增益，
可对输入信号放大。请注意，如果共模电压施加在放大器输入端，该电压在电阻RG的两端相等，
不会在RG上产生电流，没有电流流过RG，也就不会有电流流过R5、R6，因此放大器A1、A2
为单位增益的电压跟随器。因此，共模信号以单位增益通过输入缓冲级，但差模信号以增益
（1+2RF/RG）被放大。
Intheory,thismeansthattheusermaytakeasmuchgaininthefrontendasdesired(asdeterminedby
RG)withoutincreasingthecommon-modegainanderror.Thatis,thedifferentialsignalwillbeincreased
bygain,butthecommon-modeerrorwillnot,sotheratio(Gain(VDIFF)/(VERRORCM))willincrease.
Thus,CMRRwilltheoreticallyincreaseindirectproportiontogain—averyusefulproperty.
从原理上，意味着用户可以在前端选取较大的增益（由电阻RG确定）而不会增加共模增益及误差。
也就是说，差模信号以指定的增益被放大，共模信号不被放大，因此差模信号增益、共模信号增益
之比值可任意增大，即理论上，共模抑制比随增益增大而正比例增大，这是一个非常有用的特性。
Finally,becauseofthesymmetryofthisconfiguration,common-modeerrorsintheinputamplifiers,if
theytrack,tendtobecanceledoutbytheoutputstagesubtractor.Thisincludessucherrorsas
common-moderejectionvs.frequency.Thesefeaturesexplainthepopularityofthisconfiguration.
最终，由于这种结构的对称性，如果输入级的共模误差相互跟踪，势必被输出减法器消减掉，其中
也包含共模抑制比随频率变化而产生的误差。这些特征就是这种结构普遍流行的合理解释。
4.3-OpAmpIn-AmpDesignConsiderations
3运算放大器型仪表放大器设计需要考虑的因素运算放大器型仪表放大器设计需要考虑的因素运算放大器型仪表放大器设计需要考虑的因素运算放大器型仪表放大器设计需要考虑的因素
Twoalternativesareavailableforconstructing3-opampinstrumentationamplifiers:usingFETorbipolar
inputoperationalamplifiers.FETinputopampshaveverylowbiascurrentsandaregenerallywell-suited
forusewithveryhigh(>106?)sourceimpedances.FETamplifiersusuallyhavelowerCMR,higher
offsetvoltage,andhigheroffsetdriftthanbipolaramplifiers.Theyalsomayprovideahigherslewratefor
agivenamountofpower.
构建3运算放大器型仪表放大器，有两中可选方案：应用场效应管，或双极性晶体管输入的运算
放大器。场效应管输入的运算放大器具有偏置电流低的特点，因而适合信源阻抗极高（大于106Ω）
的应用中。与双极性晶体管放大器相比，场效应管放大器通常共模抑制比较低、失调电压较高、失
调电压漂移较高。但在给定电源电压条件下，场效应管放大器电压摆率较高。
Thesenseandreferenceterminals(Figure2-4)permittheusertochangeA3’sfeedbackandground
connections.Thesensepinmaybeexternallydrivenforservoapplicationsandothersforwhichthegain
ofA3needstobevaried.Likewise,thereferenceterminalallowsanexternaloffsetvoltagetobeapplied
toA3.Fornormaloperation,thesenseandoutputterminalsaretiedtogether,asarereferenceandground.
图2-4电路中的灵敏度端子（sense）、参考端子（reference）允许用户改变放大器A3的反馈和
接地。在伺服应用或其它应用中，如果要求A3增益可变，Sense引脚可由外电路驱动；同样地，
reference引脚允许放大器A3施加外部偏差电压。通常情况。Sense引脚与输出引脚连接在一起，
reference引脚与地接在一起。
AmplifierswithbipolarinputstagestendtoachievebothhigherCMRandlowerinputoffsetvoltagedrift
thanFETinputamplifiers.Super-betabipolarinputstagescombinemanyofthebenefitsofFETand
bipolarprocesses,withevenlowerIBdriftthanFETdevices.
与场效应管输入放大器相比，双极性晶体管输入放大器，倾向于达到较高的共模抑制比、较低的输
入失调电压漂移。应用超β管的双极性晶体管输入级的放大器，结合了场效应晶体管、双极性晶体
管的优点，输入偏置电流甚至比场效应管还要低。
Acommon(butfrequentlyoverlooked)issuefortheunwarydesignerusinga3-opampin-ampdesignis
thereductionofcommon-modevoltagerangethatoccurswhenthein-ampisoperatingathighgain.
Figure2-5isaschematicofa3-opampin-ampoperatingatagainof1000.
对于粗心的设计者，应用3运算放大结构的仪表放大器，存在一个普遍的同时也是经常被忽视的
问题，仪表放大器工作在高增益情况下，共模电压范围降低。图2-5为一个增益为1000的3运
算放大器型仪表放大器。
Inthisexample,theinputamplifiers,A1andA2,areoperatingatagainof1000,whiletheoutput
amplifierisprovidingunitygain.Thismeansthatthevoltageattheoutputofeachinputamplifierwill
equalone-halfthepeak-to-peakinputvoltage×1000,plusanycommon-modevoltagethatispresenton
theinputs(thecommon-modevoltagewillpassthroughatunitygainregardlessofthedifferentialgain).
Therefore,ifa10mVdifferentialsignalisappliedtotheamplifierinputs,amplifierA1’soutputwill
equal+5V,plusthecommon-modevoltage,andA2’soutputwillbe–5V,plusthecommon-mode
voltage.Iftheamplifiersareoperatingfrom15Vsupplies,theywillusuallyhave7Vorsoofheadroom
left,thuspermittingan8Vcommon-modevoltage—butnotthefull12VofCMV,which,typically,
wouldbeavailableatunitygain(fora10mVinput).Highergainsorlowersupplyvoltageswillfurther
reducethecommon-modevoltagerange.
本例，输入放大器A1、A2增益为1000，输出放大器为单位增益。就是说，每个输入放大器输出
端的电压等于1000倍的输入电压峰峰值的一半，再加上输入端的共模电压（共模电压不同于差模
电压，增益为单位增益）。因此，如果10mV的差模信号施加于放大器输入端，A1输出电压等
于+5V再加上共模电压；A2输出电压为-5V再加上共模电压。如果放大器电源电压为15V，一
般要预留7V左右的净空电压，那么只允许8V共模电压，并非12V的满度共模电压。12V，是
10mV输入、单位增益条件下，典型的满度共模电压。增益提高、电源电压降低势必会减小共模电
压范围。
5.TheBasic2-OpAmpInstrumentationAmplifier
基本的基本的基本的基本的2运算放大器型仪表放大器运算放大器型仪表放大器运算放大器型仪表放大器运算放大器型仪表放大器
Figure2-6isaschematicofatypical2-opampin-ampcircuit.Ithastheobviousadvantageofrequiring
onlytwo,ratherthanthree,operationalamplifiersandprovidingsavingsincostandpowerconsumption.
However,thenonsymmetricaltopologyofthe2-opampin-ampcircuitcanleadtoseveraldisadvantages,
mostnotablyloweracCMRRcomparedtothe3-opampdesign,limitingthecircuit’susefulness.
图2-6为典型的2运算放大器型仪表放大器电路，它的优势是显而易见的：仅用两个而不是三个
运算放大器，节省运算放大器和电源损耗。但是，2运算放大器型的非对称性拓补结构也带来一些
不足，与3运算放大器相比，共模抑制比显著降低，因而应用受限。
Thetransferfunctionofthiscircuitis
该电路传输函数为
42
31
3
4
12)1)((
RR
RR
R
RVVV
ININOUT
=
=
+?=
Inputresistanceishighandbalanced,thuspermittingthesignalsourcetohavean-unbalancedoutput
impedance.Thecircuit’sinputbiascurrentsaresetbytheinputcurrentrequirementsofthenoninverting
inputofthetwoopamps,whichtypicallyareverylow.
输入阻抗高且平衡，因而允许信号源为非平衡输出阻抗。输入偏置电流决定于两个运算放大器同相
输入端的电流要求，偏置电流一般非常低。
Disadvantagesofthiscircuitincludetheinabilitytooperateatunitygain,adecreasedcommon-mode
voltagerangeascircuitgainislowered,andpooraccommon-moderejection.ThepoorCMRisdueto
theunequalphaseshiftoccurringinthetwoinputs,VIN1andVIN2.Thatis,thesignalmusttravel
throughamplifierA1beforeitissubtractedfromVIN2byamplifierA2.Thus,thevoltageattheoutputof
A1isslightlydelayedorphase-shiftedwithrespecttoVIN1.
该电路的缺点：无法单位增益工作；低增益时共模电压范围变小；交流共模抑制不足。交流共模抑
制比降低的原因是两个输入端VIN1、VIN2的信号相移不相等，信号要经过运算放大器A1，才能
与VIN2的信号在放大器A2实现相减，因此放大器A1输出信号相对于VIN1的信号具有轻微延时
或相移。
Minimumcircuitgainsof5arecommonlyusedwiththe2-opampin-ampcircuitbecausethispermitsan
adequatedccommon-modeinputrange,aswellassufficientbandwidthformostapplications.Theuseof
rail-to-rail(single-supply)amplifierswillprovideacommon-modevoltagerangethatextendsdownto
–VS(orgroundinsingle-supplyoperation),plustruerail-to-railoutputvoltagerange(i.e.,anoutput
swingfrom+VSto–VS).
这种2运算放大器型仪表放大器，最低增益一般用在5倍，这样可以有充足的共模电压输入范围，
同时满足多数应用中的有效带宽。应用轨至轨放大器时，共模电压输入范围可扩展到-Vs（单电源
工作时为地），加上真正的轨至轨输出电压范围，即输出摆幅为–Vs~+Vs。
Table2-1showsamplifiergainvs.circuitgainforthecircuitofFigure2-6andgivespractical1%resistor
valuesforseveralcommoncircuitgains.
表2-1为图2-6电路放大器增益与电路增益的关系，并给出几种常用增益对应的实际电阻值（1%
精度电阻）。
6.2-OpAmpIn-Amps————Common-ModeDesignConsiderationsforSingle-SupplyOperation
2运算放大器型仪表放大器运算放大器型仪表放大器运算放大器型仪表放大器运算放大器型仪表放大器------单电源工作时单电源工作时单电源工作时单电源工作时，，，，共模设计的考虑因素共模设计的考虑因素共模设计的考虑因素共模设计的考虑因素
Whenthe2-opampin-ampcircuitofFigure2-7isexaminedfromthereferenceinput,itisapparentthat
itissimplyacascadeoftwoinverters.Assumingthatthevoltageatbothofthesignalinputs,VIN1and
VIN2,is0,theoutputofA1willequal
图2-7电路，从参考输入端看起，就是两级反相器的一个简单级联。假定两个信号输入端VIN1、
VIN2的电压都为零，那么，A1的输出电压为
REFoVRRV
1
2
1?=
ApositivevoltageappliedtoVREFwilltendtodrivetheoutputvoltageofA1negative,whichisclearly
notpossibleiftheamplifierisoperatingfromasinglepowersupplyvoltage(+VSand0V).
一个正电压施加到VREF端，就有迫使放大器输出负电压的趋势，但是在单电源工作条件（0V~Vs）
下，显然不可能输出负电压。
ThegainfromtheoutputofamplifierA1tothecircuit’soutput,VOUT,atA2,isequalto
从放大器A1的输出到电路输出VOUT，放大器A2的增益为
1
3
4
RoOUTVR
RV?=
ThegainfromVREFtoVOUTistheproductofthesetwogainsandequals
从VREF到VOUT的增益，就是以上两个增益的乘积，即：
REFOUTVR
R
R
RV
3
4
1
2=
Inthiscase,R1=R4andR2=R3.Therefore,thereferencegainis+1,asexpected.Notethatthisisthe
resultoftwoinversions,incontrasttothenon-invertingsignalpathofthereferenceinputinatypical3-op
ampin-ampcircuit.
本例，R1=R4，R2=R3，因此参考信号的增益为1，这正如我们所期望的。注意，与典型的3运
算放大器型仪表放大器没有反相通路的情形不同，本例增益为1是经过两次反相的结果。
Justaswiththe3-opampin-amp,thecommon-modevoltagerangeofthe2-opampin-ampcanbe
limitedbysingle-supplyoperationandbythechoiceofreferencevoltage.
如同3运算放大器型仪表放大器，2运算放大器型仪表放大器的共模电压范围也受限于单电源供
电和参考电压的选择。
Figure2-8isaschematicofa2-opampin-ampoperatingfromasingle5Vpowersupply.Thereference
inputistiedtoVS/2,whichinthiscaseis2.5V.Theoutputvoltageshouldideallybe2.5Vfora
differentialinputvoltageof0Vandforanycommon-modevoltagewithinthepowersupplyvoltage
range(0Vto5V).
图2-8为一个单电源5V电压供电的2运算放大器型仪表放大器电路，参考电压为Vs/2，本例
即2.5V。差模输入电压为0，共模输入电压为0~5V范围内的任意值时，输出电压值在理想情况
下为2.5V。
Asthecommon-modevoltageisincreasedfrom2.5Vtoward5V,theoutputvoltageofA1(VO1)will
equal
共模电压从2.5V增长到5V，放大器A1输出电压VO1为
)(
1
2
1REFCMCMoVVR
RVV?+=
Inthiscase,VREF=2.5VandR2/R1=1/4.TheoutputvoltageofA1willreach5VwhenVCM=4.5V.
Furtherincreasesincommon-modevoltageobviouslycannotberejected.Inpractice,theinputvoltage
rangelimitationsofamplifiersA1andA2maylimitthein-amp’scommonmodevoltagerangetoless
than4.5V.
本例，VREF=2.5V，R2/R1=1/4。当VCM=4.5V时，放大器A1输出电压达到5V。显然，
共模电压继续增长，已不能在仪表放大器的输出端被抑制掉（因为继续增长的共模电压已经无法再
现于放大器A1的输出端，也就无法被放大器A2抵消掉------译者注）。本质原因是，放大器A1、
A2的输入电压范围限制，限定了仪表放大器共模电压范围低于4.5V。
Similarly,asthecommon-modevoltageisreducedfrom2.5Vtoward0V,theoutputvoltageofA1will
hitzeroforaVCMof0.5V.Clearly,theoutputofA1cannotgomorenegativethanthenegativesupply
line(assumingnochargepump),which,forasingle-supplyconnection,equals0V.Thisnegativeor
zero-incommon-moderangelimitationcanbeovercomebyproperdesignofthein-amp’sinternallevel
shifting,asintheAD627monolithic2-opampinstrumentationamplifier.However,evenwithgood
design,somepositivecommon-modevoltagerangewillbetradedofftoachieveoperationatzero
common-modevoltage.
类似地，共模电压VCM从2.5V下降到0V的过程中，在VCM=0.5V时，放大器A1的输
出电压过零。显然，放大器A1的输出电压不会更负（假定内部不存在电荷泵的情况下），在单
电源工作条件下，放大器输出最低就是0V。共模电压范围的这个0V或负端电压的限制，可以通
过仪表放大器内部电平移动电路的正确设计来克服，比如AD627单片2运算放大器型仪表放大器。
但是，即使采用更好的设计，共模电压范围的正（上）端，也要权衡考虑，使放大器可以零共模电
压工作。
Another,andperhapsmoreserious,limitationofthestandard2-amplifierinstrumentationamplifier
circuitcomparedto3-amplifierdesigns,istheintrinsicdifficultyofachievinghighaccommon-mode
rejection.Thislimitationstemsfromtheinherentimbalanceinthecommon-modesignalpathofthe
2-amplifiercircuit.
与3运算放大器型仪表放大器相比，标准2运算放大器型仪表放大器电路的还有一个、也许是更
严重的应用限制。2运算放大器型仪表放大器存在一个固有的困难，限制交流高共模抑制能力的提
高。这个困难起源于共模信号通路固有的不平衡。
Assumethatasinusoidalcommon-modevoltage,VCM,atafrequency,FCM,isapplied(commonmode)
toinputsVIN1andVIN2(Figure2-8).Ideally,theamplitudeoftheresultingacoutputvoltage(the
common-modeerror)shouldbe0V,independentoffrequency,FCM,atleastovertherangeofnormalac
powerline(mains)frequencies:50Hzto400Hz.Powerlinestendtobethesourceofmuch
common-modeinterference.
假定正弦共模电压VCM，频率fCM的信号，施加于输入端VIN1、VIN2（图2-8）。理想情况下，交
流输出电压（共模误差）应该为0V，与频率fCM无关，至少在通常的电力频率范围50Hz~400HZ
范围内应该是这样。电力线往往是众多共模干扰的源。
Iftheaccommon-modeerroriszero,amplifierA2andgainnetworkR3,R4mustseezeroinstantaneous
differencebetweenthecommon-modevoltage,applieddirectlytoVIN2,andtheversionofthe
common-modevoltagethatisamplifiedbyA1anditsassociatedgainnetworkR1,R2.Anydc
common-modeerror(assumingnegligibleerrorfromtheamplifier’sownCMRR)canbenulledby
trimmingtheratiosofR1,R2,R3,andR4toachievethebalance：
如果共模误差为零，放大器A2和增益网络R3、R4“看到”的是：直接施加在VIN2共模电压、
经过放大器A1及其增益网络R1、R2的共模电压，二者瞬时差值为零。如果忽略放大器自身的
共模误差，一切直流误差可通过电阻R1、R2、R3、R4的比率校准而归零，从而达到平衡：
R1≡R4同时R2≡R3
However,anyphaseshift(delay)introducedbyamplifierA1willcausethephaseofVO1toslightlylag
behindthephaseofthedirectlyappliedcommon-modevoltageofVIN2.Thisdifferenceinphasewill
resultinaninstantaneous(vector)differenceinVO1andVIN2,eveniftheamplitudesofbothvoltages
areattheirideallevels.Thiswillcauseafrequency-dependentcommon-modeerrorvoltageatthe
circuit’soutput,VOUT.Further,thisaccommon-modeerrorwillincreaselinearlywithcommon-mode
frequencybecausethephaseshiftthroughA1(assumingasingle-poleroll-off)willincreasedirectlywith
frequency.Infact,forfrequencieslessthan1/10ththeclosed-loopbandwidth(fT1)ofA1,the
common-modeerror(referredtotheinputofthein-amp)canbeapproximatedby
但是，放大器A1引入的相移（或者说时延）使得Vo1的相位比直接施加在VIN2的共模电压的
相位稍微滞后。这个相差造成Vo1与VIN2之间的瞬时差，即使这两个信号的电压幅度为理想电
平，在电路输出端VOUT产生一个频率相关的共模误差电压。进而，这个交流共模误差随频率fCM
线性增加，因为通过放大器A1的相移随频率正比增长（假定为单极点滚降）。事实上，频率低
于放大器A1的闭环带宽（fT1）的1/10的条件下，共模误差（相对于仪表放大器输入）可近似
表示为：
%100%100/(%)
1
×=×=
T
CM
CM
E
f
f
V
GVCMerror
whereVEisthecommon-modeerrorvoltageatVOUT,andGisthedifferentialgain—inthiscase,5.
式中，VE为仪表放大器输出端VOUT的共模误差电压；G为差模增益，本例等于5。
Forexample,ifA1hasaclosed-loopbandwidthof100kHz(atypicalvalueforamicropoweropamp),
whenoperatingatthegainsetbyR1andR2,andthecommon-modefrequencyis100Hz,then
举例说明。如果放大器A1的闭环带宽为100KHz（微功耗运算放大器典型值），当工作在R1、
R2设定的增益时，并且共模信号频率为100Hz，那么
%1.0%100100100(%)=×=KCMerror
Acommon-modeerrorof0.1%isequivalentto60dBofcommon-moderejection.So,inthisexample,
evenifthiscircuitweretrimmedtoachieve100dBCMRatdc,thiswouldbevalidonlyforfrequencies
lessthan1Hz.At100Hz,theCMRcouldneverbebetterthan60dB.
0.1%的共模误差相当于60dB的共模抑制比。本例中，电路即使通过校准达到100dB的直流共
模抑制比，也仅仅在频率低于1Hz条件下有效。在100Hz，共模抑制比不会优于60dB。
TheAD627monolithicin-ampembodiesanadvancedversionofthe2-opampinstrumentationamplifier
circuitthatovercomestheseaccommon-moderejectionlimitations.AsillustratedinFigure2-9,the
AD627maintainsover80dBofCMRoutto8kHz(gainof1000),eventhoughthebandwidthof
amplifiersA1andA2isonly150kHz.
AD627单片仪表放大器包含一个高版本的2运算放大器电路，突破了交流共模抑制比的限制。如
图2-9，AD627在8KHz以上，还能保持高于80dB的共模抑制比（增益为1000），即使放大器
A1、A2的带宽只有150KHz。
ThefourresistorsusedinthesubtractorarenormallyinternaltotheICandareusuallyofveryhigh
resistance.Highcommon-modevoltagedifferenceamps(diffamps)typicallyuseinputresistorsselected
toprovidevoltageattenuation.Therefore,boththedifferentialsignalvoltageandthecommon-mode
voltageareattenuated,thecommonmodeisrejected,andthenthesignalvoltageisamplified.
减法器所用4个电阻通常为芯片内置电阻，并且阻值非常大。高共模电压的差动放大器，输入电
阻的选择，一般使放大器实际为一个衰减器。因此，差模信号、共模信号均被衰减，抑制共模信号，
然后再放大差模信号。
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