仪表放大器里为什么有三个 Amplifiers ？

前言

本期介绍 Three AMP 架构的仪表放大器（Instrumentation Amplifier，简称 INA）。

文中素材来自 TI 关于 INA 的 PPT 教程（参考资料[1]），TI 还有配套视频和字幕（参考资料[2]），我摘录一些我认为的重点概念，是个读书笔记，不保证解读正确，有需要可以查看 TI 原链接。

之前我们看过了 One AMP 架构的 INA，它可以认为是一个差分放大器，其框图与输入 / 输出的关系如下：

图中的 Vd 是 V1 与 V2 之差，差分增益（Ad）由电阻的比例决定，在 R1= R3 并且 R2 = R4 情况下，差分增益为 R2 / R1 。

差分放大器的问题在于输入阻抗较低，为此引出了 Three AMP 架构。

最基本的 Three AMP 架构是在输入端增加 Buffer Stage。具体由两个运放构成，分别是 A1 和 A2，原本的差分放大器是 A3。

输入 V1、V2 接到运放的同相端，输出 VOUTA1、VOUTA2 接到反相端，所以是一种 Unity Gain Voltage Follower，这样就增加了输入阻抗：

这种架构看着不错，但有一个问题在于差分增益（Ad）调节不够方便，因为每次调节都要涉及 R1、R2、R3、R4 四个电阻。

于是就有了改进的 Three AMP 架构。

改进的 Three AMP 架构在 Voltage Follower 的反馈支路上增加了电阻，分别是 Rf1 和 Rf2 ，所以不再是 Unity Gain。此外，还将 Rf1 和 Rf2 通过 Rg 连接起来：

其中，Rg 是用于调整增益的，所以命名为 “g”。

对于 INA 的芯片来说，只有 Rg 在芯片外部，而 R1、R2、R3、R4、Rf1、Rf2 等都在芯片内部，阻值都是预先固定的，这种设计综合了芯片生产与增益调整的便利性。

我们来看下这种架构下，INA 差分增益（Ad）是多少？

分析方法是采用了叠加定理（Superposition Theorem），即：在多个独立信号源共同作用的线性电路中，任意支路的电流或电压等于每个信号源单独作用时在该支路产生的电流或电压的总和。

图中，V2 = 0V，继而 Rg 下端也是 0V，采样运放同向增益公式计算 VOUTA1 （由 V1 产生）。

图中，V1 = 0V，继而 Rg 上端也是 0V，仍然采样运放同向增益公式计算 VOUTA1 （由 V2 产生）。

将上述两个 VOUTA1 （由 V1 产生）和 VOUTA1 （由 V2 产生）叠加，可得到合成的 VOUTA1：

再用同样的方式计算出合成的 VOUTA2 。

有了 VOUTA1、VOUTA2，再通过 A3 的差分增益（Ad）求 VOUTA3，即为最终输出 VOUT：

这样就计算出了 Three AMP 架构 INA 的差分增益（Ad）。

可见，在 R1、R2、R3、R4、Rf1、Rf2 等阻值都预先固定的情况下，通过条件芯片外部 Rg 就可以实现增益调节。

另外，Ref 是用于给输出信号添加直流偏置的，在前文的 “差分放大器” 中有相关计算过程。

最后总结一下：

即：

以上，就是 Three AMP 架构仪表放大器（INA）的工作原理与差分增益（Ad）计算。典型的入门型号有 TI 的 INA333 （参考资料[3]）、INA826（参考资料[4]），有兴趣可查阅 datasheet。