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. У ₁ – входной усилитель, У ₂ – 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.