第一部分為線性的電壓型放大器，第二部分為基于差分放大的儀表應(yīng)用。

1. I-V轉(zhuǎn)換器

最簡單的跨阻放大器利用運(yùn)放的虛斷特性，讓輸入電流直接流經(jīng)反饋電阻，輸出電壓就是vo=-RiI。 這里增益也稱為轉(zhuǎn)換器的靈敏度，下圖靈敏度為1000。 這個簡單的電路能夠自動使電流損失降低到0，這是因?yàn)樨?fù)反饋引入的輸入端虛地，即使輸入端存在有限的對地電阻，其上也不會有壓降。

使用過大的阻值會讓與電阻并聯(lián)的周圍媒質(zhì)電阻減小實(shí)際反饋電阻（書中原文）。 為了避免在需要高靈敏度時使用太大的阻值，常用的方法是T型網(wǎng)絡(luò)，得到的輸出電壓vo=-(1+R2/R1+R2/R)RiI=-kRiI，設(shè)計(jì)時從需要的增益和一個預(yù)先確定的R值出發(fā)。 下圖靈敏度為108，先設(shè)定R=1M，確定k= 100，若選R2遠(yuǎn)小于R，則R2/R1≈99。 像這么小的輸入電流，一般需要考慮運(yùn)放的輸入偏置電流，這里選擇CMOS輸入運(yùn)放，輸入偏置電流在數(shù)百pA。

最常見的跨阻放大器應(yīng)用是光電傳感器信號的放大。

2. V-I轉(zhuǎn)換器

實(shí)際的跨導(dǎo)放大器的輸出電流一般形式為io=AvI-vL/Ro，這是由于有限的輸出阻抗。 vL的范圍稱為電壓柔量，在此范圍外運(yùn)放進(jìn)入飽和。 跨導(dǎo)放大器依然是利用運(yùn)放的虛斷和負(fù)反饋虛地特性，使輸出電流跟隨輸入電壓變化。 由于輸出是電流，所以必須加入較小阻值的負(fù)載。

跨導(dǎo)放大器有兩種基本形式，分別為同相輸入和反相輸入。 同相輸入時，由于虛短特性，運(yùn)放的輸出電壓幅度為vo=vI+vL； 反相輸入時的輸出電壓為vL，因此反相輸入的電壓柔量即為運(yùn)放擺幅，而同相輸入的電壓柔量為運(yùn)放擺幅下沉vI。

下圖的靈敏度為10-4。 所用運(yùn)放為輸出軌到軌，電壓柔量分別為-17V ~ 7V和-12V ~ 12V。 對于純電阻負(fù)載，不會出現(xiàn)負(fù)的電壓柔量，所以這里的最大負(fù)載電阻分別是7/io和12/io，即14k和24k。 下圖的波形為負(fù)載20k時的波形，同相的輸出已經(jīng)飽和，反相仍然正常輸出。 雖然有電壓柔量較低的缺點(diǎn)，但它依然有著同相結(jié)構(gòu)固有的優(yōu)點(diǎn)——輸入阻抗極大。

若將負(fù)載電阻換成電容，就變成了積分器，所以積分器的本質(zhì)就是產(chǎn)生一個恒定的電流對負(fù)載電容充電，以此產(chǎn)生充電電壓的恒定斜率。

當(dāng)要求負(fù)載接地時，負(fù)載就不能放在反饋環(huán)路中，這時使用的典型轉(zhuǎn)換器為Howland電流泵，其電阻的阻值應(yīng)構(gòu)成平衡電橋，即R8/R7 = R6/R5，則靈敏度仍為輸入電阻。 該電路中的vL等于運(yùn)放的輸入電壓，也等于輸出電壓的分壓：vL = vo×R5/(R5+R6)，為了擴(kuò)展柔量可以令R6盡量小，使得柔量接近于輸出擺幅，或者通過設(shè)計(jì)阻值來得到所需的柔量。 下圖的靈敏度為0.0002，電壓柔量為vo/1.2 =±10V，得出負(fù)載范圍為10k。 結(jié)果為負(fù)載在1k 5k 10k下的波形，其實(shí)在5k時就已經(jīng)發(fā)生了正半周的畸變，10k時完全飽和。

電橋平衡中電阻值的失配會導(dǎo)致輸出阻抗的下降，1%電阻的最惡劣情況下輸出阻抗為375k，而輸出阻抗50M對應(yīng)的電阻精度為0.0075%，只能依靠微調(diào)來實(shí)現(xiàn)。

上面的電路會在輸入電阻處消耗大部分電流。 作為改進(jìn)電路，將R6一分為二，這時靈敏度的表達(dá)式也變?yōu)锳 = R6/R5R6b，電壓柔量為vo-vI×R6/R5。 下圖的靈敏度依然如上，電壓柔量為11V。

3. 電流放大器

將跨阻和跨導(dǎo)相結(jié)合，得到一個電流放大的表達(dá)式：

io = AiI - vL/Ro。 對于浮動負(fù)載，依然是將其串入反饋環(huán)路中，利用虛斷使反饋電流等于輸入電流，從而確定輸出電流。 由于運(yùn)放的輸出電壓為vL+R2iI，說明該電路提供的電壓柔量十分有限。 下圖的增益為2，電壓柔量為11V，得到最大負(fù)載電阻為11V/2mA=5.5k。 右是電阻為5k和6k時的結(jié)果。

接地負(fù)載的電流放大器實(shí)際上由負(fù)阻變換器構(gòu)成，因此輸出電流也是反相的。 其中輸出電阻Ro是一個負(fù)的有限值，其值與電流源的阻抗有關(guān)，因此該電路會用在虛地型負(fù)載（暫時不明）應(yīng)用中。 這時io = AiI - vL/Ro的后一項(xiàng)終于派上了用場，這里Ro = -RsR11/R12，在輸入源阻抗較小時無法忽略其影響，進(jìn)一步推導(dǎo)，得到完整的輸出電流表達(dá)式為

可見輸出電流與源阻抗和負(fù)載都有關(guān)。 下圖設(shè)計(jì)電流增益A為-2，又輸出電流由運(yùn)放提供，得到電壓柔量為12V－ioR11 = ioRL，算出最大的負(fù)載電阻為略小于5k。 但是仿真結(jié)果顯示在3k時便已飽和，更確定的計(jì)算方法有待學(xué)習(xí)。 右為負(fù)載2k~5k的結(jié)果。

4. 差分放大器

基本的差放只要滿足電橋平衡，其輸出就等于輸入之差。

理想的差放對共模信號增益為0，但實(shí)際還是有一些偏移。 如上圖，輸出存在一些負(fù)偏移。 電阻失配對共模抑制也有影響，使得輸出電壓隨共模分量而變化，一般引入不平衡度進(jìn)行分析，假設(shè)僅有一個電阻的阻值偏離標(biāo)準(zhǔn)值

?

通過這個推導(dǎo)，一個物理量浮出水面，即共模抑制比

理想情況下

Acm = 0，Adm即電路的增益，所以CMRR為無窮大。 從后面的簡化式又看出，CMRR隨增益增大而增大。 還有一個結(jié)論，就是在實(shí)際中只需要微調(diào)一個電阻就可以得到最大的CMRR。

基本電路的增益不容易改變，利用另一個運(yùn)放作為反饋可以得到一個單獨(dú)的電阻與增益的線性關(guān)系

差分還可以消除地回路干擾，若一個反相放大器的輸入地和輸出地相隔較遠(yuǎn)，存在電位差，就可以將同相端接成差分放大形式。

5.儀表放大器

基本差放的差模輸入電阻為2R1，共模輸入電阻為(R1+R2)/2。 對于高阻抗源，如一些微弱的傳感器輸出信號，需要無窮大的輸入電阻，因此需要再加入兩個同相輸入的緩沖放大器來達(dá)到這個目的，就構(gòu)成了儀表放大器。 增益一般通過RG來設(shè)置，其他電阻取一樣即可，A= 1+2R/RG。

實(shí)際上用雙運(yùn)放也可以實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，只要保證輸入信號直接接入運(yùn)放的同相端，跨接的RG為增益設(shè)置，增益為A = 2+2R/RG。 由于輸入的非對稱性，兩個信號之間的組合存在延時，使得這種結(jié)果的頻率響應(yīng)較差，也就是說CMRR隨頻率升高而加速降低。

單片集成的IA可以很大程度上提高CMRR，輸入端可以用高度匹配的晶體管，還有飛電容技術(shù)也可以更大地提高CMRR。

6.IA的應(yīng)用

屏蔽層驅(qū)動

在使用差分屏蔽電纜傳輸信號時，電纜引入的分布電阻和雜散電容會惡化IA的頻率響應(yīng)，使其對工頻共模干擾或其他交流干擾的CMRR降低。 最常用的解決方法是將輸入共模電壓用分壓電阻取出，通過跟隨器輸出到電纜的屏蔽層。 這樣，本來跨在雜散電容（這些電容一端在輸入信號，另一端正是接在屏蔽層）兩端的共模信號這時就被消除為0。

輸出偏置

將后級差放的同相輸入端的接地處改為一個直流電平，就可以將輸出信號偏置到需要的電平處。

電流輸出&輸入

將第二級差放改為Howland電路就形成了電流輸出的IA，一般用在長距離信號傳輸?shù)膱龊?，?-20mA的工控場合。 輸出電流

經(jīng)過推算，發(fā)現(xiàn)該輸出電流受各電阻包括負(fù)載電阻的影響，而且每個運(yùn)放都要輸出相同大小的電流。

傳感器電橋放大器

對于電阻性傳感器，一般通過測量其電阻變化量來得到需要的物理量，而電阻變化量一般通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓變化量。 電橋示意圖如下，IA使用INA118。 R2a為傳感器電阻，定義偏差比為δ，得到輸出電壓與電阻偏差的關(guān)系

然后規(guī)定靈敏度以確定放大倍數(shù)，如熱敏電阻的溫度系數(shù)為α，有δ= αT。 參考阻值為100（即0℃時的阻值），由于流過傳感器的電流限制，R1的值一般要在1k以上。 若要求靈敏度0.1V/℃，有

這里假設(shè)α= 0.002，得到A = 425V/V，設(shè)置RG = 118。 當(dāng)溫度為100度時，輸出電壓應(yīng)為10V，令R2a在100到120變化，就得到0℃ ~ 100℃下的輸出電壓特性。

應(yīng)變儀電橋

應(yīng)變儀與普通傳感器的不同在于它本身就是一個電橋，只是其四個橋臂的阻值都會隨應(yīng)力而改變。