差分放大器和电流感测 放大器等差分输入放大器拓扑结构，对于放大各种应用中的差分信号非常有效，特别是在处理非常高的共模电压时。
然而，对于需要以极高精度放大极小信号的应用，特别是在存在大量共模电压和噪声的情况下，甚至需要更精确的放大器。这就是 仪表放大器 发挥作用的地方，因为它们是专门为满足这些严格的要求而设计的。
差分放大器的局限性
当将差分放大器与仪表放大器进行比较时，差分放大器的一个主要缺点是其相对较低的输入阻抗。 另一个问题是，每个放大器输入端的阻抗不相等。这些限制在放大来自惠斯通电桥（图 1）的差分信号（V2 - V1）等应用中变得非常重要，惠斯通电桥通常用于各种传感器系统。
首先需要关注的是，许多惠斯通电桥具有显著的输出阻抗，这必须驱动差分放大器的低输入阻抗。例如，如果电桥的输出阻抗为4 kΩ，放大器的输入阻抗为200 kΩ，则由于电桥上的电压降，传感器的信号将丢失2%。这种损失在精密测量中是不可接受的。
另一个问题是，差分放大器的输入阻抗不均匀导致桥两端电压降不均匀，从而在测量的差分电压中引入误差。
图 1. 惠斯通电桥
为了解决这些问题， 有必要使用具有更高输入阻抗的放大器，在桥输出上呈现均衡负载，并具有出色的 CMRR。这些都是仪表放大器的关键特点和优势。
仪表放大器
经典的3运放仪表放大器（图 2a）由两个主要级组成。第一级（前置级 ）包括两个运算放大器（A1和A2），而第二级（减法器级）使用第三个运算放大器（A3）。减法器级遵循我们熟悉的差分放大器拓扑结构。
在本设计中，A1 和 A2 提供极高且平衡的输入阻抗。它们还能放大差分输入电压，并在不放大的情况下让共模电压通过。然后减法器级（A3）去掉共模电压，输出放大后的差分信号。
这种拓扑结构的一个关键优点是，可以使用单个外部电阻（RG）轻松设置增益，从而消除了匹配离散电阻比率的需要。这使得它特别适合放大非常小的信号，同时抑制高电平的共模电压。该仪表放大器的传递函数为：
VOUT = G × VDIFF + VREF
这里，VDIFF 表示输入电压差（V+IN – V–IN），G 是放大器的增益，VREF 是调节输出电平的参考电压。
集成仪表放大器（图 2b）由于在同一个单片芯片上拥有精确匹配的电阻，因此提供了额外的好处。尽管集成差分放大器的共模抑制可能在 90dB 到 100dB 的范围内，但许多仪表放大器的 CMRR 规格为 130dB 到 140dB 或更高。
回到早期的惠斯通电桥示例，源电阻为 4kΩ，仪表放大器如 ADI 的 AD8422 （其输入电阻为 200GΩ），信号损耗极小，仅为 0.000002% （0.02 ppm）。
图 2. (a) 三运算放大器仪表放大器拓扑结构；(b) 单片式仪表放大器集成电路。
仪表放大器的另一个优点是与差分放大器相比，其输入偏置电流更低。这使得偏置电流流过源电阻造成的电压误差更小，进一步提高了精度。