CN104698405B - 读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器。所述传感器包括：双级超导量子干涉组件；与所述双级超导量子干涉组件相连的读出电路；与所述读出电路中的受控积分反馈子电路相连、且与所述第一级超导量子干涉器件互感的第一反馈线圈；与所述读出电路中的受控放大组件相连、且与所述第二级超导量子干涉器件互感的第二反馈线圈。其中，所述读出电路包括：与所述双级超导量子干涉组件连接的前置放大组件；与所述前置放大组件连接、且将输出信号受控的反馈给所述组件中的第二级SQUID或归零的受控放大组件；与所述前置放大组件和受控放大组件输出端相连、且将所输出的信号受控的反馈给所述组件中的第一级SQUID或归零的受控积分反馈子电路。

Description

读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器

技术领域

本发明涉及一种双级超导量子干涉传感器，特别是涉及一种读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器。

背景技术

超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device以下简称SQUID)是目前已知最灵敏的磁传感器，在微弱磁信号探测，如心磁、脑磁、核磁共振、地球物理探测中具有重要的应用。

由于SQUID的信号非常微弱，最大响应磁场输出的电压只有几十个uV，同时工作在液氦(4.2K)或液氮(77K)的超导环境下，需要通过较长(1米以上)的电缆，才能将信号接到常温的放大器中，传输距离远易导致信号衰减。因此，技术人员发明了双级超导量子干涉组件(two-stage SQUIDs)来提升整个传感器的磁通-电压传输率，其原理图如图1所示。

由于SQUID的个体差异，每个SQUID不可能工作在同样的工作点上，因此，在使用双级超导量子干涉组件时，需要调试每个SQUID的工作点。因此，其相匹配的读出电路不仅需要对所感应的信号进行放大、积分处理，还需要具备提供调试各SQUID工作点的能力。

现有技术中，双级型放大的超导量子干涉器件的读出可采用单磁通锁定环和双磁通锁定环路两种方式进行读出。

所谓单磁通锁定环读出电路方案即单反馈读出方式为整个双级的SQUID超导量子干涉器作为一个非线性磁通电压转换器整体来看待：及外部磁通Φe被第1级的SQUID捕获经过第1级的磁通放大电路实现磁通放大，并通过互感M2将放大后的磁通量Φe^*耦合到第2级SQUID器件中，实现磁通电压转换，第2级SQUID输出电压信号。该双级放大的SQUID器件输出的信号被读出电路的前置放大检测并放大送入积分通过反馈电阻和反馈线圈实现磁通锁定读出。

上述单磁通锁定环路的读出方案中，由于两级SQUID电路级联，其磁通电压-传输特性中最佳工作点(即磁通电压传输率最大的点)线性范围更小，且具有多个能让上述磁通锁定环路保持锁定工作的其他非最大磁通电压传输率的次工作点。因此要使得磁通锁定环路在最佳的工作点下锁定，就要求器件在调节时，要尽量保持外部磁通的变化在最佳工作点线性区范围内，否则无法确保工作点正好锁定在所要的最佳工作点上。而上述的两级放大超导量子干涉器其最佳工作点的线性范围随着第一级磁通放大倍数的增大而大大减小，因此在实用过程中，工作点的选定和保持工作点锁定在最佳工作点的操作变得困难，要求电路在锁定时刻外部磁场的扰动控制在最佳工作点的线性区内，否则就有可能锁定在其他的不具有最大磁通电压传输率的工作点上，而无法发挥双级放大的超导量子干涉器件在低温环境下具备的低噪声性能。

为了解决上述问题，技术人员还采用了双磁通锁定环路的读出电路，其构成原理如图2所示，第二级SQUID器件和前置放大器及积分器A21、反馈电阻A22，反馈线圈A23构成一个内部的磁通锁定环，其作用是实现第二级SQUID器件最佳工作点的锁定，同时实现磁通电压线性转换，因此该环路构成了有第二级SQUID实现的磁通线性放大器。以此磁通线性放大器为基础，实现第一级SQUID构成的磁通放大器的输出特性的检测。通过给反馈线圈A23加偏移电流实现磁通偏移，实现第一级磁通放大器特性曲线中最佳工作点的选取，由积分器A11和反馈电阻A12、反馈线圈A13，构成第二个磁通锁定环，定义为外环，该环最终完成整个双级放大的磁通量子干涉器件检测所感应外磁通的磁通-电压线性转换。

上述双磁通锁定环路方案存在的问题：双磁通锁定环路方案使用了两个反馈回路，两级积分器，因此整个电路的传输函数产生了至少2个极点，因此两个积分器的配置要受约束，否则整个环路不稳定，产生振荡现象。因此在实践中，积分器1的配置要使得外环路的带宽远低于积分器2实现的内环路的带宽(内外环带宽保持在10倍以上的差异)。因此采用双环路方式的读出电路解决了双级超导量子干涉器件工作点调节和选定的问题，但牺牲了整个传感器(双级超导量子干涉器件和读出电路)的带宽。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器，用于解决现有技术中读出电路无法灵活调节各SQUID工作点的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种读出电路，用于双级放大的超导量子干涉传感器中，其中，所述双级放大的超导量子干涉传感器包括：置于超导环境的双级超导量子干涉组件，所述读出电路至少包括：与所述双级超导量子干涉组件连接的前置放大组件；与所述前置放大组件输出端连接的受控放大组件，用于在外部第一控制信号的控制下将所述前置放大组件放大输出信号进一步放大并反馈给所述双级超导量子干涉组件中的第二级超导量子干涉器件或输出归零；与所述前置放大组件输出端和受控放大组件输出端相连的受控积分反馈子电路，用于在外部第二控制信号的控制下将所述前置放大组件输出端和受控放大组件输出端各自所输出信号之和进行积分处理并反馈给所述双级超导量子干涉组件中的第一级超导量子干涉器件或输出归零。

优选地，所述受控放大组件的放大倍数为100倍以上。

优选地，所述受控放大组件为受控的比例放大器。

优选地，所述受控放大组件包括：与所述前置放大组件相连的反向器，与所述反向器输出端相连的第一运算放大器，其中，所述第一运算放大器的正输入端接地、负输入端通过电阻R1与所述反向器输出端相连，所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间还连有第一受控开关，所述第一运算放大器的输出端还反馈至所述第二级超导量子干涉器件。

优选地，所述受控放大组件还包括：在所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间设有相串联的电阻和电容。

优选地，所述受控放大组件还包括：与所述第一受控开关并联的电阻R2。

优选地，所述电阻R1的阻值比所述电阻R2的阻值小100倍以上。

优选地，所述受控积分反馈子电路包括：将所述前置放大组件通过电阻R4和受控放大组件的输出端通过电阻R3取和后接入自身负输入端的第二运算放大器，所述第二运算放大器的正输入端接地，在所述第二运算放大器的负输入端与自身输出端之间连接电容和第二受控开关，所述第二运算放大器的输出端还反馈至所述第一级超导量子干涉器件。

优选地，所述受控放大组件的放大倍数是前置放大组件放大倍数的G倍，所述G为受控放大组件的放大增益。

基于上述目的，本发明还提供一种双级的超导量子干涉传感器，其至少包括：置于超导环境的双级超导量子干涉组件，包括：具有第一级超导量子干涉器件的磁通放大器和与所述磁通放大器级联的第二级超导量子干涉器件；与所述双级超导量子干涉组件相连的、如上任一所述的读出电路；与所述读出电路中的受控积分反馈子电路相连、且与所述第一级超导量子干涉器件互感的第一反馈线圈；与所述读出电路中的受控放大组件相连、且与所述第二级超导量子干涉器件互感的第二反馈线圈。

优选地，所述双级的超导量子干涉传感器还包括：密封所述第二级超导量子干涉器件和第二反馈线圈的第一超导屏蔽容器；第二超导屏蔽容器，用于密封所述第一超导屏蔽容器、所述磁通放大器、第一反馈线圈和用于引入外界检测磁信号的检测线圈。

如上所述，本发明的读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器，具有以下有益效果：通过受控放大组件和受控积分反馈子电路来分别向双级超导量子干涉组件中的两个SQUID进行反馈，不仅能够单独调节两个SQUID的工作点，还能保证读出电路的带宽，以适用于各种不同双级超导量子干涉组件；同时，利用归零原理实现了读出电路及两个反馈线圈所构成的环路的单环路锁定和双环路锁定工作模式的无缝切换。

附图说明

图1显示为现有技术中的双级超导量子干涉组件的结构示意图。

图2显示为现有技术中的读出电路的结构示意图。

图3显示为本发明的双级的超导量子干涉传感器的结构示意图。

图4显示为本发明的双级的超导量子干涉传感器中的读出电路的一种优选方案的结构示意图。

图5显示为本发明的双级的超导量子干涉传感器的一种优选方案的结构示意图。

元件标号说明

1 双级的超导量子干涉传感器

11 双级超导量子干涉组件

111 磁通放大器

112 第一级超导量子干涉器件

113 第二级超导量子干涉器件

12 第一反馈线圈

13 第二反馈线圈

14 读出电路

141 前置放大组件

142 受控放大组件

143 受控积分反馈子电路

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图3至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图3所示，本发明提供一种双级放大的超导量子干涉传感器。其包括：双级超导量子干涉组件11、第一反馈线圈12和第二反馈线圈13，以及读出电路14。其中，所述双级超导量子干涉组件11、第一反馈线圈12和第二反馈线圈13置于超导环境中，通过引线与处于常温环境的读出电路14相连。所述读出电路14可受外部控制信号的控制具有调节工作点状态和工作状态。在所述调节工作点状态时，所述读出电路14可辅助调节所述双级超导量子干涉组件11中的两个超导量子干涉器件(SQUID)，使得该两个SQUID均处于各自的工作点上，以便在工作状态时该两个SQUID能够在各自的工作点工作。

所述双级超导量子干涉组件11包括：相级联的第一级超导量子干涉器件112和第二级超导量子干涉器件113。其中，所述双级超导量子干涉组件11的结构可以简化成如图1所示结构

如图3所示，所述读出电路14包括：前置放大组件141、受控放大组件142、和受控积分反馈子电路143。

所述前置放大组件141与所述双级超导量子干涉组件11连接。本实施例中，所述前置放大组件141包括：正输入端与所述双级超导量子干涉组件11输出端相连的运算放大器，该运算放大器的负输入端连接通过电阻分别于自身输出端、偏移电源及地线相连。

具体地，所述前置放大组件141将所述双级超导量子干涉组件11所输出的感应信号放大并输出，同时，由于所述运算放大器U1的负输入端还连接所述偏移电源所提供的电流，则所述第一运算放大器在放大感应信号的同时还抵消所述感应信号中的直流电压分量。

所述受控放大组件142与所述前置放大组件141输出端连接，在外部第一控制信号的控制下将所述前置放大组件141放大输出信号进一步放大并反馈给所述双级超导量子干涉组件11中的第二级超导量子干涉器件113或输出归零。

本实施例中，如图4所示，所述受控放大组件142包括：与所述前置放大组件141相连的反向器，与所述反向器输出端相连的第一运算放大器U2，其中，所述第一运算放大器的正输入端接地、负输入端通过电阻R1与所述反向器输出端相连，所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间还连有第一受控开关，所述第一运算放大器的输出端还反馈至所述第二级超导量子干涉器件113(即所述第二运算放大器的输出端与所述第二反馈线圈13相连)。

具体地，所述第一控制信号控制所述第一受控开关的开/闭，当所述第一受控开关断开时，所述前置放大组件141所输出的感应信号通过所述第一运算放大器予以高倍放大并输出，当所述第一受控开关闭合时，所述第一运算放大器输出归零。其中，所述第一运算放大器的放大倍数在100倍以上。所述受控放大组件优选为受控的比例放大器。其中，与所述第一运算放大器的负输入端和输出端相连的电阻的阻值远大于与所述前置放大组件141输出端相连的电阻阻值。

优选地，所述受控放大组件142还包括：在所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间设有相串联的电阻和电容(未予图示)。

进一步地，所述受控放大组件142还包括：与所述第一受控开关并联的电阻R2。其中，所述电阻R1的阻值优选地比所述电阻R小2100倍以上。

所述受控积分反馈子电路143与所述前置放大组件141输出端和受控放大组件142输出端相连，用于在外部第二控制信号的控制下将所述前置放大组件141输出端和受控放大组件142输出端各自所输出信号之和进行积分处理并反馈给所述双级超导量子干涉组件11中的第一级超导量子干涉器件112或输出归零。

具体地，所述受控积分反馈子电路143通过加法器与所述前置放大组件141输出端和受控放大组件142输出端相连，所述受控积分反馈子电路143中的第二受控开关在所述第二控制信号的控制下断开时，将所述加法器所输出的信号进行积分处理，一方面将处理后的信号予以输出，同时，还将处理后的信号反馈给所述第一级超导量子干涉器件112，当所述第二受控开关在所述第二控制信号的控制下闭合时，所述受控积分反馈子电路143输出归零。

本实施例中，如图4所示，所述受控积分子电路包括：将所述前置放大组件通过电阻R4和受控放大组件的输出端通过电阻R3取和后接入自身负输入端的第二运算放大器U3，所述第二运算放大器的正输入端接地，在所述第二运算放大器的负输入端与自身输出端之间连接电容和第二受控开关，所述第二运算放大器的输出端还反馈至所述第一级超导量子干涉器件112(即所述第三运算放大器的输出端与所述第一反馈线圈12相连)。

如图2、4所示，所述双级的超导量子干涉传感器1的结构举例如下：

所述传感器1包括两大部分，一个部分是放置在超导环境中的双级超导量子干涉组件11、第一反馈线圈12和第二反馈线圈13，另一部分是位于常温环境的读出电路14。

所述双级超导量子干涉组件11的结构包括：与提供待检测的磁场环境的检测线圈互感的第一级超导量子干涉器件112，所述第一级超导量子干涉器件112位于磁通放大器中，所述磁通放大器与第二级超导量子干涉器件113相互感。

在所述超导环境中，所述第一级超导量子干涉器件112还与所述第一反馈线圈12互感，所述第二级超导量子干涉器件113还与所述第二反馈线圈13互感。

在常温环境下，所述读出电路14分别于双级超导量子干涉组件11、第一反馈线圈12和第二反馈线圈13相连。

具体地，所述读出电路14中的前置放大组件141与所述第二级超导量子干涉器件113的输出端相连，所述前置放大组件141的输出端与受控放大组件142相连，所述受控放大组件142中的第一受控开关受外部的第一控制信号的控制进行开闭、且设于所述受控放大组件142中的第一运算放大器的负输入端和输出端之间，所述第一运算放大器的负输入端通过反向器与所述前置放大组件141所输出端相连，所述第一运算放大器的输出端分别与所述第二反馈线圈13和所述读出电路14中的受控积分子电路相连，所述受控积分子电路中的第二受控开关受外部的第二控制信号的控制进行开闭、且设于所述受控积分子电路中的第二运算放大器的负输入端和输出端之间、与电容并联，所述第二运算放大器的负输入端还接收所述前置放大组件141和受控放大组件142的各输出端所输出的信号之和，所述第二运算放大器的输出端一方面作为所述读出电路14的输出端，另一方面还与所述第一反馈线圈12相连。

根据上述结构，所述双级的超导量子干涉传感器1的工作过程举例如下：

所述双级的超导量子干涉传感器1连接好之后，通过设置第一控制信号和第二控制信号：

令所述受控放大组件142的第一受控开关闭合同时所述受控积分子电路中的第二受控开关闭合，则受控放大组件142和受控积分反馈子电路143的输出都归零，只有前置放大组件141输出双级放大SQUID器件中的第二级超导量子干涉器件113的两端的电压，监测该电压用于辅助第二级超导量子干涉器件113的工作点调试。

令所述受控放大组件142的第一受控开关断开同时所述受控积分子电路中的第二受控开关闭合，则受控放大组件142处于输出状态，第二级超导量子干涉器件113与反馈回路构成磁通锁定内环，在该环路状态下，第二级超导量子干涉器件113与内环实现了磁通电压线性转换，利用第二级超导量子干涉器件113实现的磁通线性放大器，在第二受控开关闭合的情况下，实现双级超导量子干涉组件11中第一级超导量子干涉器件112的特性检测，可观测第一级超导量子干涉器件112的磁通放大特性，辅助实现第一级超导量子干涉器件112的工作点调试。

当第一级超导量子干涉器件112和第二级超导量子干涉器件113的工作点调试完成，即均找到各自工作点后：令所述受控放大组件142中的第一受控开关闭合同时所述受控积分子电路中的第二受控开关断开，则整个读出电路14工作在单环路锁定状态，所述受控放大组件142中的第二运算放大器的输出归零，因此所述前置放大组件141的输出直接接入受控积分子电路的负输入端，并通过反馈电阻Rf1接入与第一级超导量子干涉器件112互感的第一反馈线圈12，以构成单磁通反馈环路。

令所述受控放大组件142的第一受控开关断开同时所述受控积分子电路中的第二受控开关断开，则受控放大组件142中的第二运算放大器的输出驱动反馈电阻Rf2接入第一反馈线圈12构成内磁通反馈环，实现第二级超导量子干涉器件113检测磁通的磁场电压线性转换，转换所输出的电压信号通过第二运算放大器输出，再输入积分器，由积分器与外环路构成磁通反馈电路。由于在内反馈锁定工作时，前置放大组件141输出为受控放大组件142输出的1/G，G为受控放大组件142的增益，因此对于两个放大组件输出信号之和，就主要体现第二运算放大器的输出，前置放大组件141输出可以忽略。因此此时整个读出电路14工作在内环路和外环路同时锁定的状态下。

作为一种优选方案，为了防止所述磁通放大器和第二级超导量子干涉器件之间的互相干扰。所述双级的超导量子干涉传感器还包括：密封所述第二级超导量子干涉器件和第二反馈线圈的第一超导屏蔽容器；第二超导屏蔽容器，用于密封所述第一超导屏蔽容器、所述磁通放大器、第一反馈线圈和用于引入外界检测磁信号的检测线圈。

综上所述，本发明的读出电路及所适用的双级的超导量子干涉传感器，通过受控放大组件和受控积分反馈子电路来分别向双级超导量子干涉组件中的两个SQUID进行反馈，不仅能够单独调节两个SQUID的工作点，还能保证读出电路的带宽，以适用于各种不同双级超导量子干涉组件；同时，利用归零原理实现了读出电路及两个反馈线圈所构成的环路的单环路锁定和双环路锁定工作模式的无缝切换，其中，无缝切换，就通过一个归零开关完成，启用时开关放开，通过反馈回路与第二级SQUID建立了磁通锁定环路，退出时，开关闭合，电路输出归零，第二级SQUID构成的环路自动退出；

另外，具有单环路反馈和双环路反馈双重模式，可进行无缝切换。在双环路反馈模式下，将第一级积分器改用了高倍放大电路，提高了双环路反馈回路的稳定性。同时该高倍放大组件可控归零，实现了第二级SQUID环路退出，使电路工作到单反馈工作模式下，发挥单环路反馈读出的锁定后高带宽的优势。由于借助了双环路反馈进行了工作点调节，解决了传统单环路反馈读出中工作点难定的问题；

此外，将磁通放大器单独与检测线圈屏蔽在第一超导屏蔽容器中，能有效防止检测线圈对第二级超导量子干涉器件的干扰，进一步提高感应精度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种读出电路，用于双级放大的超导量子干涉传感器中，其中，所述双级放大的超导量子干涉传感器包括：置于超导环境的双级超导量子干涉组件，其特征在于，至少包括：

与所述双级超导量子干涉组件连接的前置放大组件；

与所述前置放大组件输出端连接的受控放大组件，用于在外部第一控制信号的控制下将所述前置放大组件放大输出信号进一步放大并反馈给所述双级超导量子干涉组件中的第二级超导量子干涉器件或输出归零；

与所述前置放大组件输出端和受控放大组件输出端相连的受控积分反馈子电路，用于在外部第二控制信号的控制下将所述前置放大组件输出端和受控放大组件输出端各自所输出信号之和进行积分处理并反馈给所述双级超导量子干涉组件中的第一级超导量子干涉器件或输出归零。

2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述受控放大组件的放大倍数为100倍以上。

3.根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，所述受控放大组件为受控的比例放大器。

4.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述受控放大组件包括：

与所述前置放大组件相连的反向器，与所述反向器输出端相连的第一运算放大器，其中，所述第一运算放大器的正输入端接地、负输入端通过电阻R1与所述反向器输出端相连，所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间还连有第一受控开关，所述第一运算放大器的输出端还反馈至所述第二级超导量子干涉器件。

5.根据权利要求4所述的读出电路，其特征在于，所述受控放大组件还包括：在所述第一运算放大器的负输入端和输出端之间设有相串联的电阻和电容。

6.根据权利要求4所述的读出电路，其特征在于，所述受控放大组件还包括：与所述第一受控开关并联的电阻R2。

7.根据权利要求6所述的读出电路，其特征在于，所述电阻R1的阻值比所述电阻R2的阻值小100倍以上。

8.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述受控积分反馈子电路包括：

将所述前置放大组件通过电阻R4和受控放大组件的输出端通过电阻R3取和后接入自身负输入端的第二运算放大器，所述第二运算放大器的正输入端接地，在所述第二运算放大器的负输入端与自身输出端之间连接电容和第二受控开关，所述第二运算放大器的输出端还反馈至所述第一级超导量子干涉器件。

9.一种双级的超导量子干涉传感器，其特征在于，至少包括：

置于超导环境的双级超导量子干涉组件，包括：具有第一级超导量子干涉器件的磁通放大器和与所述磁通放大器级联的第二级超导量子干涉器件；

与所述双级超导量子干涉组件相连的、如权利要求1-8中任一所述的读出电路；

与所述读出电路中的受控积分反馈子电路相连、且与所述第一级超导量子干涉器件互感的第一反馈线圈；

与所述读出电路中的受控放大组件相连、且与所述第二级超导量子干涉器件互感的第二反馈线圈。

10.根据权利要求9所述的双级的超导量子干涉传感器，其特征在于，所述双级的超导量子干涉传感器还包括：

密封所述第二级超导量子干涉器件和第二反馈线圈的第一超导屏蔽容器；

第二超导屏蔽容器，用于密封所述第一超导屏蔽容器、所述磁通放大器、第一反馈线圈和用于引入外界检测磁信号的检测线圈。