11.5. Изолирующие усилители

Изолирующие усилители представляют собой специальный тип усилителей, выпускаемых только в гибридном исполнении, хотя в них могут быть использованы полупроводниковые ИС ОУ и измерительные усилители. Они обеспечивают почти полную изоляцию между входом и выходом. Имеется много разных разработок, но во всех них для изоляции входа от выхода ис­пользуют трансформаторную или оптическую связь.

Изолирующий усилитель может рассматриваться как измерительный усилитель сверхвысокого качества. Они имеют исключительно высокие КОСС, входное сопротивление, стабильность, а также изоляцию входа от выхода по постоянному току. Изолирующие усилители представляют собой достаточно сложные системы, включающие модуляцию несущей частоты входным сигналом и демодуляцию в выходной части. Изолирующие свойства достигаются за счет трансформаторной или оптической связи входного сигнала с выходным. Изолирующие усилители с оптической связью имеют более широкую полосу пропускания по сравнению с теми, которые имеют трансформаторную связь. Однако их линейность хуже.

Изолирующие усилители обеспечивают: изоляцию между входом и выходом по постоянному току при допустимых уров­нях синфазных напряжений от 2000 до 7500 В, КОСС обычно более 100 дБ, а типичные значения входных полных сопротив­лений лежат между 10⁸ и 10¹¹ Ом. Изолирующие усилители, как правило, имеют довольно узкую полосу пропускания, изме­няющуюся, от 0 – 500 Гц до 0 – 3 кГц для усилителей с трансфор­маторной связью и до 0 – 15 кГц для усилителей с оптической связью. Изолирующие усилители с оптической связью обычно уступают в линейности изолирующим усилителям с трансфор­маторной связью.

Главные применения изолирующих усилителей составляют устройства непрерывного медицинского контроля. Здесь малые сигналы скрыты в существенно больших, и утечка по постоян­ному току может иметь фатальные последствия: приходится изолировать опасное высоковольтное оборудование от чувстви­тельных АЦТ и вычислительных устройств. Кроме того, харак­терны длинные двухпроводные линии для контроля датчиков, но не допускается общая земля вследствие появления земляных контуров: требуется управлять электрическим оборудованием, создающим помехи, таким, как электродвигатели. В области биомедицинских измерений изолирующие усилители могут служить реальным средством технической безопасности.

Типичный изолирующий усилитель, показанный на рис. 50, б, представляет собой систему со сложными связями. Основная мощность подводится к выходной части усилителя. Осциллятор (генератор), работающий на частоте гораздо более высокой, чем максимальная частота входного сигнала усили­теля, обеспечивает опорный сигнал для демодулятора, сигнал несущей частоты для модулятора и напряжение переменного тока на входе выпрямителя и источника питания изолирован­ной части.

а

б

Рис. 50. Изолирующий усилитель: а – символическое обозначение. Обозначение выводов: 1 – +U_ИП, 2 – – U_ИП, 3 – общая точка вспомогательного источника питания, 4 – инвертирующий вход, 5 – неинвертирующий вход, 6 – экран, 7 – установка коэффициента усиления, 8 – общая точка входного усилителя; б – блок-схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью. У₁ – входной усилитель, У₂ – выходной усилитель, U_оп. дм – опорное напряжение демодулятора.

Входной источник питания представляет собой плавающий источник напряжения питания входной схемы усилителя и часто выдает добавочную мощность для питания дополнительных входных цепей. В качестве входного усилителя обычно исполь­зуется полностью укомплектованный высококачественный изме­рительный усилитель, хотя может быть использован и одиноч­ный ОУ. Входная сторона изолирующего усилителя обычно снабжена одним или двумя выводами для установки коэффициента усиления и нуля сдвига выходного сигнала. Вся входная схема обычно экранируется.

Выход входного усилителя модулируется модулятором. Мо­дуляция может быть амплитудной (AM), широтно-импульсной (ШИМ) или модуляцией интенсивности света светодиода. Демодулятор извлекает информацию из модулированной несущей.

Полученный сигнал затем фильтруется и подается через буфер­ный усилитель на выход.

Изолирующие усилители могут быть использованы в качестве высококачественных измерительных или изолирующих усилите­лей.

Изолирующие усилители широко применяются в биомедицинском оборудовании, например для непрерывной кардиографии плода.

Высокое значение КОСС у усилителя позволяет отделить сигналы низкого напря­жения сердца зародыша от сигналов большей амплитуды, со­провождающие биение сердца матери, и 60 Гц шума (помехи), снимаемого с кожи матери. Изоляция гарантирует, что ни один хорошо заземленный предмет медицинской обстановки из не­ржавеющей стали не создаст опасности для пациента при вы­ходе оборудования из строя.

3. Цифровые микросхемы

3.1. Общие сведения о цифровых микросхемах

3.1.1. Классификация и система

условных обозначений цифровых микросхем

Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по законам дискретной функции. Они применяются для построения ЦВМ, а также цифровых узлов измерительных приборов, аппаратуры автома­тического управления, связи и т. д.

По конструктивно-технологическому исполнению все циф­ровые ИС делятся на группы. По характеру выполняемых функций в аппаратуре ИС подразделяются на подгруппы (например, логические элементы, триггеры и т. д.) и виды внутри подгрупп (например, триггеры с задержкой, триггеры универсальные и т. д.). Разделение цифровых ИС на подгруп­пы и виды по функциональному назначению приведены в табл. 1.

Таблица 1. Цифровые интегральные микросхемы

Подгруппа и вид ИС	Обозначение
1	2
Формирователи: импульсов тока импульсов прямоугольной формы импульсов специальной формы прочие	АА АГ АФ АП
Схемы задержки	БР
Схемы вычислительных средств: сопряжение с магистралью синхронизации управления вводом-выводом (схемы интерфейса) контроллеры микроЭВМ специализированные времязадающие комбинированные микропроцессоры управление прерыванием прочие функциональные расширители микропроцессорные секции схемы управления памятью схемы микропрограммного управления функциональные преобразователи информации	ВА ВБ ВВ ВГ ВЕ ВЖ ВИ ВК ВМ ВН ВП ВР ВС ВТ ВУ ВФ
Генераторы: прямоугольных сигналов сигналов специальной формы	ГГ ГФ
Схемы арифметических и дискретных устройств: арифметическо-логические устройства шифраторы дешифраторы счетчики комбинированные полусумматоры сумматоры прочие регистры	ИА ИВ ИД ИЕ ИК ИЛ ИМ ИП ИР
Коммутаторы и ключи: напряжения тока прочие	КН КТ КП
Логические элементы: И-НЕ И-НЕ/ИЛИ-НЕ расширители ИЛИ-НЕ И И-ИЛИ-НЕ/И-ИЛИ ИЛИ ИЛИ-НЕ/ИЛИ НЕ Прочие И-ИЛИ-НЕ И-ИЛИ	ЛА ЛБ ЛД ЛЕ ЛИ ЛК ЛЛ ЛМ ЛН ЛП ЛР ЛС
Преобразователи сигналов: двоичного кода в семисегментный код уровня (согласователи) код – код	ПП ПУ ПР
Схемы запоминающих устройств: ассоциативные ЗУ матрицы постоянных ЗУ постоянные ЗУ (масочные) матрицы оперативных ЗУ прочие постоянные ЗУ с возможностью многократного электрического перепрограммирования оперативные ЗУ постоянные ЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электрической записью информации	РА РВ РЕ РМ РП РТ РУ РФ
Схемы сравнения	СА СП СК
Триггеры: универсальные (типа JK) динамические комбинированные Шмитта с задержкой (типа D) прочие с раздельным запуском (типа RS) счетные (типа T)	ТВ ТД ТК ТЛ ТМ ТП ТР ТТ
Усилители	УЛ
Многофункциональные схемы: цифровые комбинированные цифровые матрицы прочие	ХЛ ХК ХМ ХП

Сведения о подгруппе и виде микросхемы содержатся в ее условном обозначении.

В соответствии с ГОСТ 17021–75 обозначение цифровых ИС должно состоять из четырех элементов. Первый из них – цифра (1, 5, 7), обозначающая группу ИС. Она определяется конструктивно-технологическим исполнением ИС. Второй эле­мент – две или три цифры (от 00 до 99 либо от 000 до 999), указывающие порядковый номер разработки серии ИС. Тре­тий элемент – две буквы, обозначающие подгруппу и вид микросхемы, определяющие основные функциональные назначе­ния ИС (табл. 1). Четвертый элемент – число, обозначаю­щее порядковый номер разработки ИС по функциональному признаку в данной серии.

Два первых элемента обозначают серию ИС. Под серией понимают совокупность типов ИС, которые могут выполнять различные функции, имеют единое конструктивно-технологиче­ское исполнение и предназначены для совместного приме­нения.

Рис.51. Условное обозначение микросхемы 1533ЛА3

Пример условного обозначения интегральной полупровод­никовой логической микросхемы И-НЕ с порядковым номером разработки серии 1533, порядковым номером разработки данной схемы в серии по функциональному признаку 3 приведен на рис.51.

При необходимости разработчик ИС имеет право после порядкового номера разработки ИС по функциональному признаку в данной серии дополнительно поместить букву (от А до Я), обозначающую отличие электрических парамет­ров ИС одного типа (например, 531ЛА1П). Конечная буква при маркировке может быть заменена точкой. Цвет ее указы­вается в технических условиях (ТУ) на ИС конкретных типов. Для микросхем, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения добавляется буква К (например, К1533ЛАЗ). Как правило, ИС с буквой К отличаются от микросхем, не имеющих ее, условиями приемки на заводе-из­готовителе, т. е. отличаются не только диапазоном температур, при которых они могут быть использованы, но и численными значениями некоторых параметров.

В последнее время для некоторых ИС после буквы К ста­вится дополнительная буква, указывающая особенность кон­структивного исполнения (например, КР, КМ, КФ).

Для бескорпусных ИС перед цифровым обозначением серии добавляют букву Б, а после обозначения порядкового номера разработки ИС по функциональному признаку в дан­ной серии (или после дополнительного буквенного обозначе­ния) через дефис указывают цифру, характеризующую модифи­кацию конструктивного исполнения (например, Б133ЛАЗ-1). В табл. 2 приведены обозначения конструктивного испол­нения для различных модификаций бескорпусных ИС.

Таблица 2. Модификация конструктивного исполнения бескорпусных интегральных микросхем

Характеристика конструктивного исполнения микросхем (модификация)	Обозначение конструктивного исполнения
С гибкими выводами С ленточными (паучковыми) выводами С жесткими выводами На общей пластине (нераздельные) Раздельные без потери ориентировки С контактными площадками без выводов (кристалл)	1 2 3 4 5 6

По габаритным и присоединительным размерам сходные по конструкции корпуса подразделяются на типоразмеры, каждому из которых присваивается шифр, состоящий из обозна­чения подтипа корпуса и двузначного числа (от 01 до 99), обозначающего порядковый номер типоразмера, числа, указывающего количество выводов, и порядкового регистра­ционного номера (например, корпус 1202.14-1 – это прямоугольный корпус подтипа 12 (тип 1), типоразмера 02, с 14 выво­дами, модификация первая).

При размещении ИС в корпусе новой модификации перед номером серии ставится буква, указывающая на конструктив­но-технологическое исполнение корпуса: Р – при выпуске серии в пластмассовом корпусе второго типа; М – в керамическом корпусе второго типа; Л – в керамическом корпусе четвертого типа; Н – в металлостеклянном или металлополимерном корпусе четвертого типа; У – в металлостеклянном корпусе третьего типа. Например, микросхема К155ЛАЗ, выпускаемая в прямоугольном пластмассовом корпусе, при размещении ее в прямоугольном керамическом корпусе обозначается КМ155ЛАЗ, а серия – КМ155.