四象限乘法器／除法器AD734在伽玛相机中的应用

摘　要：AD734是一个高精度高速的10 MHz四象限乘法/除法器，他与同类产品相比，具有直接除法模式，高精度、低失真、低噪声的特点，可以直接取代AD534。本文主要介绍AD734的工作原理、内部结构及其在伽玛相机中的使用。
　　关键词：除法器；AD734；伽玛相机；RMSDC转换器

　　AD734是Analog Devices（AD公司）的产品，与同类产品相比，具有直接除法模式，可以利用外部输入电压直接控制除法模式中的分母电压，使用起来相当灵活方便。而其他同类产品除法模式的分母电压只能由内部电路提供，外部无法控制。AD734还可以作为调制器、解调器、宽带增益控制器、直流均方根转换器、压控放大器、振荡器和滤波器使用，用途非常广泛。?

1AD734的基本结构及功能
　　AD734是一个高精度、高速四象限模拟乘法器/除法器，他与符合工业标准的模拟乘法器/除法器AD534引脚互相兼容，其传递函数为W=XY/U。他具有以下特点：
　　(1) 高精度：0.1%的典型误差。
　　(2) 高速：10 MHz满功率带宽；
　　450 V/μs的回转率；
　　上升到满功率的0.1%需200 ns。
　　(3)低失真：任意输入信号的失真均为-80 dB。
　　(4)低噪声：10 Hz~20k Hz时，信噪比为94 dB；
　　10 Hz~10M Hz时，信噪比为70 dB。
　　(5)直接除法模式。
　　(6)增益为100时，带宽为2 MHz。
　　图1所示为AD734的管脚示意图。
　　其具体管脚定义如下：
　　X1和X2：差动输入端；
　　Y1和Y2：差动输入端；
　　Z1和Z2：差动输入端；
　　U0，U1，U2：分母电压控制端；
　　W：输出端；
　　VP：正电源供电；
　　DD：电压控制使能；
　　ER：参考电压；
　　VN：负电源供电。
　　AD734与AD534相比，其先进的功能有：

                           
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　　(1)AD734是一个新型的输出放大器。在满功率带宽10 MHz时，AD734的回转率（450V/μs） 要比AD534（20 V/μs）高出20多倍。
　　(2)AD734的失真非常低，即使在满功率的情况下也一样。在AD734的设计中采用了新的电路设计技术及激光微调技术，消除了所有的寄生非线性误差，而这些误差在早期的设计中是无法消除的。
　　(3)AD734可以实现分母电压的直接控制。外部输入在10 mV~10 V之间的任意值均可代替分母电压。对分母电压的直接控制可以使AD734在分母电压较小时也可获得较高精度。AD734与AD534相比，在除法模式下工作时，带宽比AD534高200倍。
　　AD734芯片的传递函数为：
　　        
其中，A0为输出放大器的开环增益，其典型值为72 dB。X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2，U1，U2为AD734的差动输入。用户可以根据不同的需要对AD734进行相应的连接，使其获得不同的传输函数，实现不同的功能。另外，AD734的分母电压?U也可由其内部精确稳定的齐纳击穿参考电压提供，其电压值为10 V。
　　用户通常在电路中设计一个负反馈通路，使式（1）中大括号内的值为0，同时，还把Z1和W?接在一起，这时AD734的传递函数就变为：
　　        

　　AD734可看成是增益可变的放大器。X输入信号的响应输出可由Y输入（需要衰减时用Y而不用U）和U输入（需放大时用U而不用Y）来控制。?

2AD734在伽玛相机中的使用
　　伽玛相机是一种核医学显影诊断仪器，用于诊断早期肿瘤和循环系统疾病的医学设备。
　　伽玛相机由碘化钠晶体、光电倍增管、前端放大电路、程控放大电路、位置电路、开窗选择电路、心电门控电路等组成。先由碘化钠晶体把不可见的伽玛射线转化为微弱光信号，再通过光电倍增管把微弱光信号转换成毫伏级的电信号。电信号通过前端放大电路和程控放大电路后进入位置电路，位置电路的主要功能是把多个光电倍增管输出的信号进行整理计算，得出伽玛射线打在晶体上的具体位置。伽玛相机的分辨率大小与位置电路的设计密切相关。AD734在伽玛相机中用于位置电路的设计。因为AD734具有较高的精度、较低的失真和噪声干扰，因此能满足伽玛相机的设计要求。
　　位置电路的设计分2部分。前一部分是电阻矩阵，电阻矩阵的主要功能是把多路光电倍增管的输出信号通过不同阻值的精密电阻转换为X+，X-，Y+和Y-位置信号；后一部分是由AD734及其外围电路构成的位置、能量电路，此部分电路负责把X+，X-，Y+和Y-位置信号转换为与前端晶体坐标相对应的X，Y位置信息，以及Z能量信息。
　　图3为伽玛相机位置电路部分的示意图。

　　前端使用的运算放大器为OPA4650。OPA4650是宽带、低功耗、四通道电压反馈运算放大器。本设计中，AD734在直接除法模式下工作。这种模式除了可以提供较高的精度和带宽外，还可以提供较大的灵活性。因为伽玛相机的后续电路中有开窗选择电路的设计，此电路测试时会不断地改变分母值，AD734的分母值随外部输入电压的变化而变化，易于调节。因此，在伽玛相机中使用此芯片相对比较简便快捷。
　　当AD734除法分母输入U比较小时，需先进入运算放大器OPA4650进行放大，具体连接如图3所示。图3中使用2 MΩ的反馈电阻来提高其增益精度。?

3AD734的其他用途
3.1平方根运算
　　AD734可用来产生与输入信号的平方根成正比的输出信号，其具体连接如图4所示。

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　　因为X与Y输入通道之间的极性总是相反的，因此连接到X和Y输入通道的反馈也总是负的。Z输入为差分输入。当Z输入的极性不正确时，输出总为负值，为了防止这一种情况的发生，一般在输出上加一个二极管。在高速电路中，输出端加不小于1kΩ的负载电阻可以提高响应速度。
　　          倒三角符号表示等电势。
3.2RMSDC转换器（均方根电压直流电压转换器）
　　AD734用作RMSDC转换器时，其传递函数为：
　　
　　其电路连接如图5所示。

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　　其中，即为均方根（RMS） 电压。
　　图5中，AD734和AD708双运算放大器用作10 MHz带宽的RMSDC转换器。AD734把输入 信号求平方，其输出由R1和C1组成的低通滤波器滤波。U2a，U2b以及 AD708共同组成了一个增益稳定的缓冲器，为电路提供输出电压以及输入驱动。为了使电路 能够精确地测量100 mV以下的输入电压，AD734的输出偏移电压必须设法消除，否则将 引起直流误差。?

4结语
　　AD734由于高速、高精度、低失真、低噪声等特点，使用起来相当稳定可 靠，且与AD534引脚兼容，因此AD734能完全取代AD534，并提供了比AD534更多、更灵活的功 能。使用者可通过对U0~U2端电压的控制来直接控制AD734的分母电压。另外，也可 由AD734内部提供高精度的分母电压，使用户有更大的操作空间，也使AD734芯片与同类产品 相比具有较强的优势和竞争力