Zur Verstärkung schwacher Signale benötigt man Differenzverstärker mit extrem hohen Eingangsimpedanzen. Um Signale störungsfrei über längere Verbindungsleitungen zu übertragen, verwendet man häufig zwei parallellaufende oder gedrallte Drähte, die das Nutzsignal jeweils in entgegengesetzter Polarität weiterleiten (siehe Symmetrierer). Äußere Störungen wirken dagegen gleichzeitig -jedoch mit der gleichen Polarität- auf beide Leitungen (Gleichtaktstörungen), so daß sie eben keine Spannungsdifferenz verursachen. Die Störungen unterdrücken sich also gewissermaßen selbst, und als tatsächliche Differenz zwischen den beiden Leitungen bleibt nur das Nutzsignal übrig. Auch wenn die üblichen Operationsverstärker bereits Differenzverstärker sind und als solche verwendet werden können, so weist ihr invertierender Eingang -wegen der erforderlichen Rückkopplung- stets einen vergleichsweise niedrigen Widerstand auf.

Differenzverstärker mit drei Operationsverstärker:
Die Vorzüge der symmetrischen Signalübertragung kommen allerdings nur zur Geltung, wenn beide Leitungen die gleichen Eigenschaften aufweisen und beide Signale auch in gleichem Maße belastet werden. Dazu wird den Eingängen eines Subtrahierers (OP3) jeweils ein eigener Verstärker (OP1 und OP2) vorgeschaltet, derart, daß beide Signale an deren bevorzugten hochohmigen nicht-invertierenden Eingängen eingespeist werden können. Der Verstärkungsfaktor läßt sich durch Verändern von RG einstellen, ohne dabei die Eingangsimpedanzen zu beeinflussen. Je höher die Verstärkung dieser beiden ersten Stufen, desto größer wird allerdings nur das Nutzsignal, da gleichphasige Störungen stets nur um den Faktor 1 verstärkt werden (Gleichtaktverstärkung).

Der eigentliche Subtrahierer (Differenzverstärker OP3) trennt dann das Nutzsignal von den Störungen. Je präziser seine beiden Eingänge aufeinander abgestimmt sind, desto effizienter heben sich die Störsignale gegeneinander auf. Mit dem hier zusätzlich eingefügten Trimmer lassen sich nachträglich bauteilbedingte Unterschiede ausgleichen. Da der Verstärkungsfaktor des Subtrahierers OP3 nicht zur Verbesserung der Schaltungseigenschaften beiträgt, wird er meist 1:1 gewählt und die Gesamtverstärkung stattdessen von OP1 und OP2 vorgegeben.

Verwendet man Operationsverstärker mit FET-Eingangsstufen, dann können die zur Vorspannungserzeugung benötigten Eingangswiderstände (hier in grau eingezeichnet) mehrere Megaohm bis hin zu einigen Gigaohm betragen. Für hohe Qualitätsansprüche und optimale Schaltungssymmetrie werden rauscharme Metallschichtwiderstände mit kleinen Toleranzen eingesetzt. Bemerkenswert ist, daß allein die beiden Eingänge ausreichen, um ein Signal einzuspeisen. Die metallische Abschirmung kann man sich sozusagen als ein "verlängertes" Gehäuse vorstellen und ist nicht an der Signalübertragung beteiligt. Zum Vermeiden von Brummschleifen ist es deswegen auch möglich, das Massekabel bei Bedarf zu durchtrennen. Da die Leitungen beidseitig an gleich hochohmigen Anschlüssen liegen, bildet dieses Widerstandspaar für jeden Eingang einen Teiler, der die Signalspannung zwar für den einzelnen Eingang halbiert, die Signalquelle jedoch zugleich zwei Operationsverstärker im entgegengesetzten Sinn ansteuert, wodurch zwischen beiden Ausgängen wiederum die doppelte Amplitude entsteht.

Anwendung:
Instrumentierungsverstärker findet man vorwiegend in professionellen Audio- und Meßsystemen, die betriebsbedingt einer Vielzahl von Störquellen (Stromleitungen, Beleuchtungsanlagen, Elektromotoren, Generatoren, Relaise usw.) ausgesetzt sind. Bei unsymmetrischen Signalquellen (Sensoren, Mikrofone usw.) muß das fehlende invertierte Signal erst intern erzeugt werden, bevor es in die Übertragungsleitungen eingespeist werden kann.

Im Audiobereich kommen vorzugsweise dreipolige XLR-Steckverbindungen zu Einsatz, die Kabel sind meist zweiadrig, und die zusätzliche Masseleitung bildet eine abschirmende Umhüllung. Falls Steckverbindungen direkt an Eingangskondensatoren liegen, dann ist es ratsam, letztere mit einem hochohmigen Widerstand auf Massepotential vorzuladen, da sonst beim Einstecken sehr hohe Lade-/Entladeimpulse entstehen können.

Prinzip der Isolationsverstärker
Einige Anwendungsgebiete benötigen vollständig isolierte Verstärkerstufen. In der Medizin werden beispielsweise für Elektroencephalogramme (EEG, Aufzeichnung der Gehirnströme) oder Elektrokardiogramme (EKG, Aufzeichnung der Herzrhythmen) galvanisch getrennte Verstärker eingesetzt, um bei jeglicher Art von Anlagendefekten einen höchstmöglichen Schutz der Patienten zu gewährleisten. Schließlich sind die Meß-Elektroden am Kopf (Encephalogramm) bzw. am rechten Bein sowie an beiden Handgelenken (Kardiogramm) angebracht, also die für tödliche Stromschläge besonders gefährdeten Stellen des menschlichen Körpers.

Allein schon zur Gewinnung der -meist symmetrischen- Versorgungsspannung für die abgetrennte Eingangsstufe eines Isolationsverstärkers wird ein eigenes, von der üblichen Betriebsspannung gespeiste Schaltnetzteil mit Trenntransformator, sekundärseitiger Gleichrichtung und Spannungsregelung benötigt. Damit auch das Nutzsignal die Isolierungshürde überwinden kann, verwendet man Optokoppler oder einen zusätzlichen Transformator. Um mit einer derart hybriden Schaltung trotzdem lineare Übertragungswerte zu erhalten, wie man sie bei Operationsverstärker vorfindet, und damit auch Gleichspannungen durchgeschleust werden können, wird das Nutzsignal meist einem Trägersignal aufmoduliert (Sender). Ein Demodulator auf der Gegenseite (Empfänger) filtert dann das Nutzsignal heraus. Die Isolierung zwischen beiden Stufen kann meist Spannungsunterschiede von mehreren tausend Volt sicher trennen.