传感器 20mV 满量程放大到 3V 给 ADC：同相放大 151 倍怎么配电阻，±5V 供电合格、单 3.3V 必削顶——运放直流放大算例

场景：20mV 的传感器信号，ADC 根本「看不清楚」

压力变送器、应变电桥这一类传感器的满量程输出通常只有 20mV 上下（激励 5V、灵敏度 2mV/V 即 10mV，10V 激励才到 20mV）。直接送进 3.3V 参考的 12 位 ADC，1LSB 约 0.8mV，20mV 只占满量程的 0.6%、只用上 25 个码——分辨率全浪费了。合理的做法是先放大到 3.0V 左右（给 ADC 满量程 3.3V 留 0.3V 安全余量），目标增益：

G = 3.0V / 0.020V = 150 倍

就这么一个直流放大，设计中实际有三个坑：同相还是反相、电阻怎么取、供电怎么选。逐个算。

第一个选择：为什么直流传感器放大优先同相

反相放大器的增益是 G = −Rf/Rin，看起来配电阻更直接，但它的输入阻抗就等于 Rin——传感器信号要先和 Rin 分压才进得去。以 150 倍为例，只有两种取法，都难受：

• Rin 取小（1kΩ）保 Rf 不致过大：应变电桥的输出阻抗约 350Ω 量级，信号在源阻上的分压系数为 1000/(1000+350)=0.741，25.9% 的信号还没进运放就没了，而且这个值随桥臂电阻公差漂移；
• Rin 取大（10kΩ）保输入阻抗：Rf 就要 1.5MΩ。普通双极型运放输入偏置电流 Ib 取 100nA 量级时，反相端在反馈电阻上产生的输出失调约 Ib·Rf = 150mV，占 3V 量程的 5%，高阻值还带来更大噪声和漏流敏感。

同相放大器没有这个两难：信号直接进「+」端，输入阻抗是运放的共模输入阻抗（CMOS 运放可达 TΩ 级），350Ω 桥阻可以忽略；增益 G = 1 + Rf/Rin，反馈网络取多大阻值都不压传感器的信号。所以这种「高内阻小信号源 + 大增益」的组合，默认从同相起步。

第二个坑：标准阻值凑不出整 150 倍

按 1+Rf/Rin=150，需要 Rf/Rin=149。翻电阻标准值表：149kΩ 不是 E24 也不是 E96 系列的标称值（1.49 不在标准序列里，相邻是 1.47 和 1.50）。常见的干净取法是：

Rin = 1kΩ，Rf = 150kΩ（两个都是 E24 常用值，5%/1% 档都好买）

G = 1 + 150/1 = 151，满量程输出 Vout = 3.02V，增益误差 +0.67%。

这 0.67% 要不要紧？看信号链整体精度：这类传感器本体综合误差常在 0.2%~0.5%FS，放大器电阻若用 1% 档还另有偏差，与其堆精密电阻凑整倍数，不如让 ADC 做一次两点标定（零点 + 满量程实测斜率），增益误差连同偏移在标定里一次性消掉。真正要花钱的地方是低温漂（Rin/Rf 选同温度系数，比值温漂互相抵消）和低 Vos/Ib 的运放，而不是凑那个整数。

第三个坑，也是最常把板子调死的：供电轨与输出摆幅

运放输出并不能真正摆到电源电压，距供电轨要留「摆幅预留（headroom）」。普通双极型运放（非轨到轨输出）这个距离约 1V 量级，必须按选型数据手册的输出摆幅曲线确认。

• ±5V 双电源、headroom 1V：线性输出区间约 −4V ~ +4V，3.02V 在区间内，不饱和，传感器零位对应输出 0V 附近也在区间内——这是最省心的做法，系统有正负电源时直接选；
• 单 3.3V 供电、headroom 1V：输出上限只有约 2.3V，目标 3.02V 一上电就削顶，ADC 读到的永远是一条平顶——而且直流系统里没有「波形失真」可看，现象就是「输入超过某值后数字不再变」，非常迷惑人。

单电源系统的三条正规出路：①选轨到轨输入/输出（RRIO）运放，headroom 可压到几十 mV，但要看清输入共模范围是否也包含 0V——只输出轨到轨、输入不轨到轨照样在零位出问题；②改双电源（如 ±5V），信号围绕 0V 摆动；③在参考端加偏置把输出抬到 0.2~3.0V 区间（仪表放大器常用 REF 引脚），软件再减去零点。无论哪条，输出摆幅都要按数据手册在实际负载下的曲线确认，不能只看首页「rail-to-rail」字样。

还有两个别忘的校核（定性清单）

• 输入失调电压 Vos 与温漂：G=151 会把输入端 Vos 一起放大 151 倍，1mV 的 Vos 到输出就是 151mV（占量程 5%）。直流小信号前置放大，Vos 要按「允许输出失调/增益」反着选，必要时选带调零的型号或靠标定修掉常温项、留预算给温漂。
• 带宽不是越大越好，但要够用：直流/慢变信号（工业传感多在几十 Hz 内）关注的是增益带宽积留出的闭环稳定性和噪声带宽；别拿高速运放放直流，输入电流噪声和功耗都吃亏。

用计算器 30 秒核一遍

上面这组数可以直接在运放增益计算器里对拍：放大方式选「同相放大」，Rin 填 1000、Rf 填 150000、Vin 填 0.02，正电源 5、负电源 −5、输出摆幅预留 1，免费段立即给出 Av=151、Vout=3.02V、建议输出上限 +4V/下限 −4V——不饱和；把正电源改成 3.3、负电源 0 再算一次，3.02V 超出建议上限，页面直接判饱和。换电阻试增益、改电源试摆幅都比焊完再改板便宜。闭环带宽缩水、满功率带宽压摆失真、Ib×Rf 失调量这三项交流/失调校核在同页专业段，做交流小信号链路时再用。

这例的核心经验就一句：直流放大的难点不在增益公式，而在输入阻抗归属、标准阻值取舍和供电轨这三个「公式之外」的地方——公式一分钟就配完，坑每一个都要调板半天。