四象限乘法器／除法器AD734在伽瑪相機中的應用

摘　要：AD734是一個高精度高速的10 MHz四象限乘法/除法器，他與同類產(chǎn)品相比，具有直接除法模式，高精度、低失真、低噪聲的特點，可以直接取代AD534。本文主要介紹AD734的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在伽瑪相機中的使用。
　　關(guān)鍵詞：除法器；AD734；伽瑪相機；RMSDC轉(zhuǎn)換器

　　AD734是Analog Devices（AD公司）的產(chǎn)品，與同類產(chǎn)品相比，具有直接除法模式，可以利用外部輸入電壓直接控制除法模式中的分母電壓，使用起來相當靈活方便。而其他同類產(chǎn)品除法模式的分母電壓只能由內(nèi)部電路提供，外部無法控制。AD734還可以作為調(diào)制器、解調(diào)器、寬帶增益控制器、直流均方根轉(zhuǎn)換器、壓控放大器、振蕩器和濾波器使用，用途非常廣泛。?

1AD734的基本結(jié)構(gòu)及功能
　　AD734是一個高精度、高速四象限模擬乘法器/除法器，他與符合工業(yè)標準的模擬乘法器/除法器AD534引腳互相兼容，其傳遞函數(shù)為W=XY/U。他具有以下特點：
　　(1) 高精度：0.1%的典型誤差。
　　(2) 高速：10 MHz滿功率帶寬；
　　450 V/μs的回轉(zhuǎn)率；
　　上升到滿功率的0.1%需200 ns。
　　(3)低失真：任意輸入信號的失真均為-80 dB。
　　(4)低噪聲：10 Hz~20k Hz時，信噪比為94 dB；
　　10 Hz~10M Hz時，信噪比為70 dB。
　　(5)直接除法模式。
　　(6)增益為100時，帶寬為2 MHz。
　　圖1所示為AD734的管腳示意圖。
　　其具體管腳定義如下：
　　X1和X2：差動輸入端；
　　Y1和Y2：差動輸入端；
　　Z1和Z2：差動輸入端；
　　U0，U1，U2：分母電壓控制端；
　　W：輸出端；
　　VP：正電源供電；
　　DD：電壓控制使能；
　　ER：參考電壓；
　　VN：負電源供電。
　　AD734與AD534相比，其先進的功能有：

                           
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　　(1)AD734是一個新型的輸出放大器。在滿功率帶寬10 MHz時，AD734的回轉(zhuǎn)率（450V/μs） 要比AD534（20 V/μs）高出20多倍。
　　(2)AD734的失真非常低，即使在滿功率的情況下也一樣。在AD734的設計中采用了新的電路設計技術(shù)及激光微調(diào)技術(shù)，消除了所有的寄生非線性誤差，而這些誤差在早期的設計中是無法消除的。
　　(3)AD734可以實現(xiàn)分母電壓的直接控制。外部輸入在10 mV~10 V之間的任意值均可代替分母電壓。對分母電壓的直接控制可以使AD734在分母電壓較小時也可獲得較高精度。AD734與AD534相比，在除法模式下工作時，帶寬比AD534高200倍。
　　AD734芯片的傳遞函數(shù)為：
　　        
其中，A0為輸出放大器的開環(huán)增益，其典型值為72 dB。X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2，U1，U2為AD734的差動輸入。用戶可以根據(jù)不同的需要對AD734進行相應的連接，使其獲得不同的傳輸函數(shù)，實現(xiàn)不同的功能。另外，AD734的分母電壓?U也可由其內(nèi)部精確穩(wěn)定的齊納擊穿參考電壓提供，其電壓值為10 V。
　　用戶通常在電路中設計一個負反饋通路，使式（1）中大括號內(nèi)的值為0，同時，還把Z1和W?接在一起，這時AD734的傳遞函數(shù)就變?yōu)椋?
　　        

　　AD734可看成是增益可變的放大器。X輸入信號的響應輸出可由Y輸入（需要衰減時用Y而不用U）和U輸入（需放大時用U而不用Y）來控制。?

2AD734在伽瑪相機中的使用
　　伽瑪相機是一種核醫(yī)學顯影診斷儀器，用于診斷早期腫瘤和循環(huán)系統(tǒng)疾病的醫(yī)學設備。
　　伽瑪相機由碘化鈉晶體、光電倍增管、前端放大電路、程控放大電路、位置電路、開窗選擇電路、心電門控電路等組成。先由碘化鈉晶體把不可見的伽瑪射線轉(zhuǎn)化為微弱光信號，再通過光電倍增管把微弱光信號轉(zhuǎn)換成毫伏級的電信號。電信號通過前端放大電路和程控放大電路后進入位置電路，位置電路的主要功能是把多個光電倍增管輸出的信號進行整理計算，得出伽瑪射線打在晶體上的具體位置。伽瑪相機的分辨率大小與位置電路的設計密切相關(guān)。AD734在伽瑪相機中用于位置電路的設計。因為AD734具有較高的精度、較低的失真和噪聲干擾，因此能滿足伽瑪相機的設計要求。
　　位置電路的設計分2部分。前一部分是電阻矩陣，電阻矩陣的主要功能是把多路光電倍增管的輸出信號通過不同阻值的精密電阻轉(zhuǎn)換為X+，X-，Y+和Y-位置信號；后一部分是由AD734及其外圍電路構(gòu)成的位置、能量電路，此部分電路負責把X+，X-，Y+和Y-位置信號轉(zhuǎn)換為與前端晶體坐標相對應的X，Y位置信息，以及Z能量信息。
　　圖3為伽瑪相機位置電路部分的示意圖。

　　前端使用的運算放大器為OPA4650。OPA4650是寬帶、低功耗、四通道電壓反饋運算放大器。本設計中，AD734在直接除法模式下工作。這種模式除了可以提供較高的精度和帶寬外，還可以提供較大的靈活性。因為伽瑪相機的后續(xù)電路中有開窗選擇電路的設計，此電路測試時會不斷地改變分母值，AD734的分母值隨外部輸入電壓的變化而變化，易于調(diào)節(jié)。因此，在伽瑪相機中使用此芯片相對比較簡便快捷。
　　當AD734除法分母輸入U比較小時，需先進入運算放大器OPA4650進行放大，具體連接如圖3所示。圖3中使用2 MΩ的反饋電阻來提高其增益精度。?

3AD734的其他用途
3.1平方根運算
　　AD734可用來產(chǎn)生與輸入信號的平方根成正比的輸出信號，其具體連接如圖4所示。

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　　因為X與Y輸入通道之間的極性總是相反的，因此連接到X和Y輸入通道的反饋也總是負的。Z輸入為差分輸入。當Z輸入的極性不正確時，輸出總為負值，為了防止這一種情況的發(fā)生，一般在輸出上加一個二極管。在高速電路中，輸出端加不小于1kΩ的負載電阻可以提高響應速度。
　　          倒三角符號表示等電勢。
3.2RMSDC轉(zhuǎn)換器（均方根電壓直流電壓轉(zhuǎn)換器）
　　AD734用作RMSDC轉(zhuǎn)換器時，其傳遞函數(shù)為：
　　
　　其電路連接如圖5所示。

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　　其中，即為均方根（RMS） 電壓。
　　圖5中，AD734和AD708雙運算放大器用作10 MHz帶寬的RMSDC轉(zhuǎn)換器。AD734把輸入 信號求平方，其輸出由R1和C1組成的低通濾波器濾波。U2a，U2b以及 AD708共同組成了一個增益穩(wěn)定的緩沖器，為電路提供輸出電壓以及輸入驅(qū)動。為了使電路 能夠精確地測量100 mV以下的輸入電壓，AD734的輸出偏移電壓必須設法消除，否則將 引起直流誤差。?

4結(jié)語
　　AD734由于高速、高精度、低失真、低噪聲等特點，使用起來相當穩(wěn)定可 靠，且與AD534引腳兼容，因此AD734能完全取代AD534，并提供了比AD534更多、更靈活的功 能。使用者可通過對U0~U2端電壓的控制來直接控制AD734的分母電壓。另外，也可 由AD734內(nèi)部提供高精度的分母電壓，使用戶有更大的操作空間，也使AD734芯片與同類產(chǎn)品 相比具有較強的優(yōu)勢和競爭力