一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，包括：超導(dǎo)量子干涉器件；前置放大器，負(fù)相輸入端與所述超導(dǎo)量子干涉器件相連，讀取并放大處于恒壓偏置模式下的所述超導(dǎo)量子干涉器件的電流信號；反饋電阻，一端與所述前置放大器的輸出端相連，另一端與所述前置放大器的負(fù)向輸入端相連，將所述前置放大器的輸出電壓反饋加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件上；電壓鉗位電路，與所述前置放大器的輸出端相連，使所述前置放大器的輸出電壓通過所述反饋電阻加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件上的電壓鉗制在一定范圍內(nèi)。本發(fā)明使得反饋電壓限制在一個固定電壓，避免出現(xiàn)過電壓脈沖過大的現(xiàn)象，從而避免了造成超導(dǎo)量子干涉器件的損壞。
【專利說明】一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及超導(dǎo)量子干涉器件作為傳感器的技術(shù)領(lǐng) 域，具體為一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路。

【背景技術(shù)】
[0002] 超導(dǎo)量子干涉器件（SuperconductingQuantumInterferenceDevice，SQUID) 是極其靈敏的磁傳感器，由超導(dǎo)回路和約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的器件。超導(dǎo)量子干涉器件是超導(dǎo) 電子學(xué)件的重要基元，其最大超導(dǎo)電流隨回路所包圍的磁通作周期性變化，周期為磁通量 子，90=2.07x10-15Wb。這種現(xiàn)象的物理本質(zhì)是超導(dǎo)體系的波函數(shù)的干涉效應(yīng)。因此它直 接表現(xiàn)了這種宏觀體系的量子特性。在外加直流偏置條件下，其輸出電壓隨外磁場周期性 變化。這個特性使之可以被制成最靈敏的磁強(qiáng)計(jì)。其單位帶寬分辨率可達(dá)l〇-15Tesla(相 當(dāng)于地磁場的幾百億分之一）。它可以廣泛應(yīng)用于生物磁場，地球物理，無損探傷和極低場 磁共振成像系統(tǒng)中。射頻SQUID由超導(dǎo)回路中插入一個約瑟夫森結(jié)構(gòu)成，通常在射頻或微 波偏置下使用，具有與前者類似的特性與用途。
[0003] 超導(dǎo)量子干涉器件在輸入一定偏置電流情況下，就具備了磁通電壓轉(zhuǎn)換特性，即 超導(dǎo)量子干涉器件會產(chǎn)生隨著檢測磁通發(fā)生變化的電壓。測量該電壓就可以實(shí)現(xiàn)磁通電壓 的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)磁場探測。
[0004] 超導(dǎo)量子干涉器件是由約瑟夫森結(jié)構(gòu)成，基于約瑟夫森效應(yīng)的磁通電壓變換器 件。約瑟夫森結(jié)由超導(dǎo)-絕緣層-超導(dǎo)三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的結(jié)，約瑟夫森結(jié)是非常敏感和脆弱 的，可承受的電流非常微弱，通常小于IOOuA,因此如果有大電流通過超導(dǎo)量子干涉器件，可 能造成約瑟夫森結(jié)損耗，而導(dǎo)致超導(dǎo)量子干涉器件失效。而超導(dǎo)量子干涉器件讀出電路都 是常規(guī)的半導(dǎo)體器件，器件的輸出電流和電壓遠(yuǎn)高于約瑟夫森結(jié)，因此必須考慮保護(hù)電路， 來應(yīng)對異常情況。
[0005] 超導(dǎo)量子干涉器件可工作在電壓偏置和電流偏置兩種模式下實(shí)現(xiàn)信號放大，其 中電壓偏置放大電路采用運(yùn)算放大器，將傳感器接在放大器的負(fù)端，通過反饋電阻給超導(dǎo) 量子干涉器件加載偏置電流，直到超導(dǎo)量子干涉器件兩端電壓與放大器正端設(shè)定的電壓相 等。由于電壓偏置采用反饋的方式維持超導(dǎo)量子干涉器件電壓恒定，因此在電路上電瞬間， 反饋還沒有穩(wěn)定工作的情況下，可能由于上電不穩(wěn)定，在超導(dǎo)量子干涉器件上加載過大電 壓或電流，造成器件損壞。
[0006] 超導(dǎo)器件由于制備工藝成本高，成品率低，因此單個超導(dǎo)量子干涉器件的成本高， 低溫超導(dǎo)量子干涉器件單價在幾千元左右，而高溫超導(dǎo)量子干涉器件則需要幾萬元，因此 超導(dǎo)量子干涉器件是非常昂貴的，上電過程或電路故障引起器失效將造成很大的經(jīng)濟(jì)損 失。
[0007] 由上可見，需要開發(fā)一種保護(hù)電路去保護(hù)超導(dǎo)量子干涉器件，防止過壓對超導(dǎo)量 子干涉器件的損壞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種超導(dǎo)量子干涉器件接 入保護(hù)電路，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中在電壓偏置模式下由于電壓不穩(wěn)定容易出現(xiàn)過壓或過流 現(xiàn)象從而導(dǎo)致超導(dǎo)量子干涉器件損壞的問題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電 路，包括：超導(dǎo)量子干涉器件；前置放大器，負(fù)相輸入端與所述超導(dǎo)量子干涉器件相連，讀 取并放大處于恒壓偏置模式下的所述超導(dǎo)量子干涉器件的電流信號；反饋電阻，一端與所 述前置放大器的輸出端相連，另一端與所述前置放大器的負(fù)向輸入端相連，將所述前置放 大器的輸出電壓反饋加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件上；電壓鉗位電路，與所述前置放大器 的輸出端相連，使所述前置放大器的輸出電壓通過所述反饋電阻加載到所述超導(dǎo)量子干涉 器件上的電壓鉗制在一定范圍內(nèi)。
[0010] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述電壓鉗位電路包括并聯(lián)反向連接的第一二極管 和第二二極管。
[0011] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述電壓鉗位電路一端與所述前置放大器的輸出端 相連，另一端接地。
[0012] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述第一二極管和所述第二二極管同為硅二極管或 同為鍺二極管。
[0013] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述反饋電阻大于等于所述電壓鉗位電路鉗制的鉗 制電壓與超導(dǎo)量子干涉器件允許加載的最大電流的比值。
[0014] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述鉗制電壓為0. 7V或0. 3V。
[0015] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，還包括一個連接在所述前置放大器輸出端的限流電 阻。
[0016] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述前置放大器的正向輸入端連接電壓源。
[0017] 如上所述，本發(fā)明的一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，具有以下有益效果：
[0018] 1、本發(fā)明通過在前置放大器的輸出端并聯(lián)一個電壓鉗位電路，使得反饋電壓限制 在一個固定電壓，避免出現(xiàn)過電壓脈沖過大的現(xiàn)象，從而避免了電路故障或上電瞬間對超 導(dǎo)量子干涉器件造成損壞。
[0019] 2、本發(fā)明電路簡單，同時該電路不影響超導(dǎo)量子干涉器件信號的檢測和放大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1顯示為本發(fā)明的一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明 書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。
[0022] 須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭 示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故 不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明 所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范 圍內(nèi)。同時，本說明書中所引用的如"上"、"下"、"左"、"右"、"中間"及"一"等的用語，亦僅 為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí) 質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。
[0023] 超導(dǎo)量子干涉器件可工作在電壓偏置和電流偏置兩種模式下實(shí)現(xiàn)信號放大，其 中電壓偏置放大電路采用運(yùn)算放大器，將傳感器接在放大器的負(fù)端，通過反饋電阻給超導(dǎo) 量子干涉器件加載偏置電流，直到超導(dǎo)量子干涉器件兩端電壓與放大器正端設(shè)定的電壓相 等。由于電壓偏置采用反饋的方式維持超導(dǎo)量子干涉器件電壓恒定，因此在電路上電瞬間， 反饋還沒有穩(wěn)定工作的情況下，可能由于上電不穩(wěn)定，在超導(dǎo)量子干涉器件上加載過大電 壓或電流，造成器件損壞。
[0024] 超導(dǎo)器件由于制備工藝成本高，成品率低，因此單個超導(dǎo)量子干涉器件的成本高， 低溫超導(dǎo)量子干涉器件單價在幾千元左右，而高溫超導(dǎo)量子干涉器件則需要幾萬元，因此 超導(dǎo)量子干涉器件是非常昂貴的，上電過程或電路故障引起器失效將造成很大的經(jīng)濟(jì)損 失。
[0025] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，用于解決現(xiàn)有技術(shù) 中在電壓偏置模式下由于電壓不穩(wěn)定容易出現(xiàn)過壓或過流現(xiàn)象從而導(dǎo)致超導(dǎo)量子干涉器 件損壞的問題。以下將詳細(xì)闡述本發(fā)明的一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路的原理及實(shí) 施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要創(chuàng)造性勞動即可理解本發(fā)明的一種超導(dǎo)量子干涉器件接 入保護(hù)電路。
[0026] 請參閱圖1，顯示為本發(fā)明一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。如 圖1所示，本發(fā)明中的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路具體是超導(dǎo)量子干涉器件處于電壓 偏置模式下連接電路示意圖，所述接入保護(hù)電路具體包括：超導(dǎo)量子干涉器件S1、前置放 大器Ul、反饋電阻Rl、電壓鉗位電路和限流電阻R2。
[0027] 以下將詳細(xì)說明本發(fā)明中的上述各部件。
[0028] 所述超導(dǎo)量子干涉器件Sl接入所述前置放大器Ul的負(fù)向輸入端，這樣，所述超導(dǎo) 量子干涉器件Sl便處于恒壓偏置模式下。本發(fā)明也正是想保護(hù)所述超導(dǎo)量子干涉器件Sl 處于恒壓偏置模式下時，在電路上電瞬間，反饋還沒有穩(wěn)定工作的情況下，可能由于上電不 穩(wěn)定，在超導(dǎo)量子干涉器件Sl上加載過大電壓或電流，造成器件損壞的問題。
[0029] 在恒壓偏置模式下，前置放大器Ul輸出端通過反饋電阻R1，將電流反饋到所述超 導(dǎo)量子干涉器件Sl中，維持所述超導(dǎo)量子干涉器件Sl兩端電壓的穩(wěn)定，且所述超導(dǎo)量子干 涉器件Sl的電壓值可由另外的電壓調(diào)節(jié)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0030] 所述前置放大器Ul的負(fù)相輸入端與所述超導(dǎo)量子干涉器件Sl相連，讀取并放大 處于恒壓偏置模式下的所述超導(dǎo)量子干涉器件Sl的電流信號。
[0031] 所述前置放大器Ul采用單運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)超導(dǎo)量子干涉器件Sl特點(diǎn)，選用 噪聲阻抗小的低噪聲放大器如來自AnalogDevices的AD797放大器。所述前置放大器Ul 的輸出端與負(fù)向輸入端之間連有反饋電阻Rl;所述前置放大器Ul的正向輸入端連接電壓 源Vb。
[0032] 所述反饋電阻Rl-端與所述前置放大器Ul的輸出端相連，另一端與所述前置放 大器Ul的負(fù)向輸入端相連，將所述前置放大器Ul的輸出電壓反饋加載到所述超導(dǎo)量子干 涉器件Sl上。
[0033] 所述前置放大器Ul的輸出端通過反饋電阻Rl連接到所述前置放大器Ul的負(fù)相 輸入端，反饋電阻Rl確定了反饋增益，在超導(dǎo)量子干涉器件Sll恒流偏置模式下，反饋電阻 Rl確定了電壓放大倍數(shù)，在恒壓偏置模式下，反饋電阻Rl作為跨導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)電壓放大， 反饋電阻Rl取值通常為100歐姆到IM歐姆，具體根據(jù)放大倍數(shù)的需要來定。
[0034] 所述電壓鉗位電路與所述前置放大器Ul的輸出端相連，所述電壓鉗位電路使所 述前置放大器Ul的輸出電壓通過所述反饋電阻Rl加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件Sl上的 電壓鉗制在一定范圍內(nèi)。
[0035] 在本發(fā)明中，所述電壓鉗位電路一端與所述前置放大器Ul的輸出端相連，另一端 接地。
[0036] 具體地，在本實(shí)施例中，所述電壓鉗位電路包括個并聯(lián)反向的第一二極管和第 二二極管。在所述電壓鉗位電路中，一次只能有一個二極管導(dǎo)通，而另一個處于截止?fàn)顟B(tài)， 例如第一二極管導(dǎo)通，第二二極管截止，若第二二極管反向截止，第一二極管正向?qū)?，?時輸出電壓VO被鉗位在第一二極管的導(dǎo)通電壓上，所以此時輸出電壓Vtl為第一二極管的 導(dǎo)通壓降。由此可見，由于采用兩個并聯(lián)反向的二極管，所述前置放大器Ul的輸出的正反 向壓降就會被鉗制在二極管正向?qū)▔航狄韵?，從而起到保護(hù)電路的目的。
[0037] 在這里，所述第一二極管和所述第二二極管同為硅二極管或同為鍺二極管。根據(jù) 硅二極管或鍺二極管的特性，采用硅二級管時，鉗制后的電壓最大為0.7V，若采用鍺二級 管，則鉗制后的電壓最大為〇. 3V。
[0038] 反饋電阻Rl根據(jù)鉗制電壓值和超導(dǎo)量子干涉器件Sl能加載的最大安全電流值來 計(jì)算，具體地，所述反饋電阻Rl大于等于所述電壓鉗位電路鉗制的鉗制電壓與超導(dǎo)量子干 涉器件Sl允許加載的最大電流的比值。即A 其中Rl為反饋電阻，Vmax為鉗制電壓， max 為超導(dǎo)量子干涉器件si允許加載的最大電流。
[0039] 其中，Vmax為二極管的導(dǎo)通電壓，若所述第一二極管和所述第二二極管采用硅二級 管，Vniax為〇. 7V，若所述第一二極管和所述第二二極管采用鍺二級管，則Vniax為0. 3V。Iniax是 超導(dǎo)量子干涉器件Sl的最大安全電流，通常小于100uA。
[0040] 因此對于限壓0. 7V的情況，反饋電阻Rl取值大于7kQ，對于限壓0. 3V的情況，反 饋電阻Rl取值則大于3kQ即可。
[0041] 由上可見，所述鉗制電壓一般為0.7V或0.3V。在所述前置放大器Ul的輸出端并 聯(lián)了反向的第一二級管和第二二極管，實(shí)現(xiàn)電壓鉗位功能，使得輸出電壓Vtl最大不會超過 第一二級管和第二二極管的導(dǎo)通電壓0. 7V左右。因此輸出電壓Vtl通過反饋電阻Rl加載 到超導(dǎo)量子干涉器件Sl兩端的最大電流就被鉗制在一定范圍。所以本發(fā)明通過在前置放 大器Ul的輸出端并聯(lián)一個電壓鉗位電路，使得反饋電壓限制在一個固定電壓，避免出現(xiàn)過 電壓脈沖過大的現(xiàn)象，從而避免了電路故障或上電瞬間對超導(dǎo)量子干涉器件Sl造成損壞。
[0042] 此外，在本實(shí)施例中，還包括一個連接在所述前置放大器Ul輸出端的限流電阻 R2。所述限流電阻R2串接在前置放大器Ul的輸出端和所述電壓鉗位電路之間，用于防止 前置放大器Ul的輸出過流。
[0043] 綜上所述，本發(fā)明的一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，具有以下有益效果：
[0044] 1、本發(fā)明通過在前置放大器的輸出端并聯(lián)一個電壓鉗位電路，使得反饋電壓限制 在一個固定電壓，避免出現(xiàn)過電壓脈沖過大的現(xiàn)象，從而避免了電路故障或上電瞬間對超 導(dǎo)量子干涉器件造成損壞。
[0045] 2、本發(fā)明電路簡單，同時該電路不影響超導(dǎo)量子干涉器件信號的檢測和放大。
[0046] 所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0047] 上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，包括： 超導(dǎo)量子干涉器件； 前置放大器，負(fù)相輸入端與所述超導(dǎo)量子干涉器件相連，讀取并放大處于恒壓偏置模 式下的所述超導(dǎo)量子干涉器件的電流信號； 反饋電阻，一端與所述前置放大器的輸出端相連，另一端與所述前置放大器的負(fù)向輸 入端相連，將所述前置放大器的輸出電壓反饋加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件上； 電壓謝位電路，與所述前置放大器的輸出端相連，使所述前置放大器的輸出電壓通過 所述反饋電阻加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件上的電壓謝制在一定范圍內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，所述電壓謝 位電路包括并聯(lián)反向連接的第一二極管和第二二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，所述電壓 謝位電路一端與所述前置放大器的輸出端相連，另一端接地。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，所述第一二 極管和所述第二二極管同為娃二極管或同為錯二極管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，所述反饋電 阻大于等于所述電壓謝位電路謝制的謝制電壓與超導(dǎo)量子干涉器件允許加載的最大電流 的比值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，所述謝制電 壓為0. 7V或0. 3V。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，還包括一個 連接在所述前置放大器輸出端的限流電阻。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器件接入保護(hù)電路，其特征在于，所述前置放 大器的正向輸入端連接電壓源。
【文檔編號】G01R15/00GK104345194SQ201310320961
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】王永良, 孔祥燕, 謝曉明, 徐小峰 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所