惠斯通电桥后置差分运算放大器的作用

惠斯通电桥后置差分运算放大器的作用

定义

惠斯通电桥后置差分运算放大器（Instrumentation Amplifier 或差分放大器）是一种专门放大两个输入端电压差值的电路，其输出与输入差模信号成正比，对共模信号有很强的抑制能力。在电阻式传感器（如应变片、热敏电阻）应用中，电桥输出通常为毫伏级的差分电压，且伴随较大的共模电压（例如电源偏置）。差分放大器能有效提取差模信号并抑制共模噪声。

作用

1. 放大差模信号：将电桥的微小电压差（\Delta V）放大到适合数据采集或后续处理的电压范围（如0~5V）。增益由外部电阻设定，典型表达式为：

其中 $G=1+\frac{2R_f}{R_g}$（针对三运放仪表放大器结构）或 $G=\frac{R_f}{R_i}$（简单差分放大器）。

1. 抑制共模信号：共模抑制比（CMRR）是衡量差分放大器性能的关键指标，理想情况下仅放大差模信号。实际中高CMRR可抑制电源噪声、温度漂移等共模干扰，提高测量精度。
2. 提高输入阻抗：仪表放大器通常具有高输入阻抗，防止对电桥负载效应导致测量误差。
3. 提供偏置与参考：可通过REF引脚设置输出参考电压，匹配后续ADC或控制系统。

工程理解

在工程测试中，电桥传感器（如压力、力、扭矩传感器）因桥臂不平衡产生微弱电压变化，环境中的电磁干扰、电源纹波等会以共模形式叠加。若直接放大电桥输出，共模分量会被一同放大，严重淹没信号。后置差分放大器利用减法特性，只对差模信号起作用，从而提取出真实的传感器信号。设计时需注意：

• 选择高CMRR的集成仪表放大器（如AD620、INA128）；
• 增益电阻需精密匹配；
• 供电电源要低噪声，接地合理。

典型电路结构通常包含前置差分放大器或直接采用三运放仪表放大器，其传递函数为：
$V_{out}=(1+\frac{2R_2}{R_1})\frac{R_4}{R_3}(V_{+}-V_{-})$
其中第一级提供高输入阻抗和差分增益，第二级进一步抑制共模并调整整体增益。