讀出電路及所適用的雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鞯闹圃旆椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅?，特別是涉及一種讀出電路及所適用的雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鳌?br>【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device 以下簡(jiǎn)稱SQUID)是目前已知最靈敏的磁傳感器，在微弱磁信號(hào)探測(cè)，如心磁、腦磁、核磁共振、地球物理探測(cè)中具有重要的應(yīng)用。
[0003]由于SQUID的信號(hào)非常微弱，最大響應(yīng)磁場(chǎng)輸出的電壓只有幾十個(gè)uV，同時(shí)工作在液氦(4.2K)或液氮(77K)的超導(dǎo)環(huán)境下，需要通過較長(I米以上)的電纜，才能將信號(hào)接到常溫的放大器中，傳輸距離遠(yuǎn)易導(dǎo)致信號(hào)衰減。因此，技術(shù)人員發(fā)明了雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件(two-stage SQUIDs)來提升整個(gè)傳感器的磁通_電壓傳輸率，其原理圖如圖1所示。
[0004]由于SQUID的個(gè)體差異，每個(gè)SQUID不可能工作在同樣的工作點(diǎn)上，因此，在使用雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件時(shí)，需要調(diào)試每個(gè)SQUID的工作點(diǎn)。因此，其相匹配的讀出電路不僅需要對(duì)所感應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行放大、積分處理，還需要具備提供調(diào)試各SQUID工作點(diǎn)的能力。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，雙級(jí)型放大的超導(dǎo)量子干涉器件的讀出可采用單磁通鎖定環(huán)和雙磁通鎖定環(huán)路兩種方式進(jìn)行讀出。
[0006]所謂單磁通鎖定環(huán)讀出電路方案即單反饋?zhàn)x出方式為整個(gè)雙級(jí)的SQUID超導(dǎo)量子干涉器作為一個(gè)非線性磁通電壓轉(zhuǎn)換器整體來看待:及外部磁通Φθ被第I級(jí)的SQUID捕獲經(jīng)過第I級(jí)的磁通放大電路實(shí)現(xiàn)磁通放大，并通過互感M2將放大后的磁通量Φθ*耦合到第2級(jí)SQUID器件中，實(shí)現(xiàn)磁通電壓轉(zhuǎn)換，第2級(jí)SQUID輸出電壓信號(hào)。該雙級(jí)放大的SQUID器件輸出的信號(hào)被讀出電路的前置放大檢測(cè)并放大送入積分通過反饋電阻和反饋線圈實(shí)現(xiàn)磁通鎖定讀出。
[0007]上述單磁通鎖定環(huán)路的讀出方案中，由于兩級(jí)SQUID電路級(jí)聯(lián)，其磁通電壓-傳輸特性中最佳工作點(diǎn)(即磁通電壓傳輸率最大的點(diǎn))線性范圍更小，且具有多個(gè)能讓上述磁通鎖定環(huán)路保持鎖定工作的其他非最大磁通電壓傳輸率的次工作點(diǎn)。因此要使得磁通鎖定環(huán)路在最佳的工作點(diǎn)下鎖定，就要求器件在調(diào)節(jié)時(shí)，要盡量保持外部磁通的變化在最佳工作點(diǎn)線性區(qū)范圍內(nèi)，否則無法確保工作點(diǎn)正好鎖定在所要的最佳工作點(diǎn)上。而上述的兩級(jí)放大超導(dǎo)量子干涉器其最佳工作點(diǎn)的線性范圍隨著第一級(jí)磁通放大倍數(shù)的增大而大大減小，因此在實(shí)用過程中，工作點(diǎn)的選定和保持工作點(diǎn)鎖定在最佳工作點(diǎn)的操作變得困難，要求電路在鎖定時(shí)刻外部磁場(chǎng)的擾動(dòng)控制在最佳工作點(diǎn)的線性區(qū)內(nèi)，否則就有可能鎖定在其他的不具有最大磁通電壓傳輸率的工作點(diǎn)上，而無法發(fā)揮雙級(jí)放大的超導(dǎo)量子干涉器件在低溫環(huán)境下具備的低噪聲性能。
[0008]為了解決上述問題，技術(shù)人員還采用了雙磁通鎖定環(huán)路的讀出電路，其構(gòu)成原理如圖2所示，第二級(jí)SQUID器件和前置放大器及積分器Α21、反饋電阻Α22，反饋線圈Α23構(gòu)成一個(gè)內(nèi)部的磁通鎖定環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)第二級(jí)SQUID器件最佳工作點(diǎn)的鎖定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁通電壓線性轉(zhuǎn)換，因此該環(huán)路構(gòu)成了有第二級(jí)SQUID實(shí)現(xiàn)的磁通線性放大器。以此磁通線性放大器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)SQUID構(gòu)成的磁通放大器的輸出特性的檢測(cè)。通過給反饋線圈A23加偏移電流實(shí)現(xiàn)磁通偏移，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)磁通放大器特性曲線中最佳工作點(diǎn)的選取，由積分器All和反饋電阻A12、反饋線圈A13，構(gòu)成第二個(gè)磁通鎖定環(huán)，定義為外環(huán)，該環(huán)最終完成整個(gè)雙級(jí)放大的磁通量子干涉器件檢測(cè)所感應(yīng)外磁通的磁通-電壓線性轉(zhuǎn)換。
[0009]上述雙磁通鎖定環(huán)路方案存在的問題:雙磁通鎖定環(huán)路方案使用了兩個(gè)反饋回路，兩級(jí)積分器，因此整個(gè)電路的傳輸函數(shù)產(chǎn)生了至少2個(gè)極點(diǎn)，因此兩個(gè)積分器的配置要受約束，否則整個(gè)環(huán)路不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。因此在實(shí)踐中，積分器I的配置要使得外環(huán)路的帶寬遠(yuǎn)低于積分器2實(shí)現(xiàn)的內(nèi)環(huán)路的帶寬(內(nèi)外環(huán)帶寬保持在10倍以上的差異)。因此采用雙環(huán)路方式的讀出電路解決了雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件工作點(diǎn)調(diào)節(jié)和選定的問題，但犧牲了整個(gè)傳感器(雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件和讀出電路)的帶寬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]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讀出電路及所適用的雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅?，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中讀出電路無法靈活調(diào)節(jié)各SQUID工作點(diǎn)的問題。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種讀出電路，用于雙級(jí)放大的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅髦校渲?，所述雙級(jí)放大的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅靼?置于超導(dǎo)環(huán)境的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件，所述讀出電路至少包括:與所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件連接的前置放大組件；與所述前置放大組件輸出端連接的受控放大組件，用于在外部第一控制信號(hào)的控制下將所述前置放大組件放大輸出信號(hào)進(jìn)一步放大并反饋給所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件中的第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件或輸出歸零；與所述前置放大組件輸出端和受控放大組件輸出端相連的受控積分反饋?zhàn)与娐?，用于在外部第二控制信?hào)的控制將所述前置放大組件輸出端和受控放大組件輸出端各自所輸出信號(hào)之和進(jìn)行積分處理并反饋給所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件中的第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件或輸出歸零。
[0012]優(yōu)選地，所述受控放大組件的放大倍數(shù)為100倍以上。
[0013]優(yōu)選地，所述受控放大組件為受控的比例放大器。
[0014]優(yōu)選地，所述受控放大組件包括:與所述前置放大組件相連的反向器，與所述反向器輸出端相連的第一運(yùn)算放大器，其中，所述第一運(yùn)算放大器的正輸入端接地、負(fù)輸入端通過電阻Rl與所述反向器輸出端相連，所述第一運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端之間還連有第一受控開關(guān)，所述第一運(yùn)算放大器的輸出端還反饋至所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件。
[0015]優(yōu)選地，所述受控放大組件還包括:在所述第二運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端之間設(shè)有相串聯(lián)的電阻和電容。
[0016]優(yōu)選地，所述受控放大組件還包括:與所述第一受控開關(guān)并聯(lián)的電阻R2。
[0017]優(yōu)選地，所述電阻Rl的阻值比所述電阻R2的阻值小100倍以上。
[0018]優(yōu)選地，所述受控積分反饋?zhàn)与娐钒?將所述前置放大組件通過電阻R3和受控放大組件的輸出端通過電阻R4取和后接入自身負(fù)輸入端的第二運(yùn)算放大器，所述第二運(yùn)算放大器的正輸入端接地，在所述第二運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端與自身輸出端之間連接電容和第二受控開關(guān)，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端還反饋至所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件。
[0019]優(yōu)選地，所述受控放大組件的放大倍數(shù)是前置放大組件放大倍數(shù)的G倍，所述G為受控放大組件的放大增益。
[0020]基于上述目的，本發(fā)明還提供一種雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅?，其至少包?置于超導(dǎo)環(huán)境的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件，包括:具有第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件的磁通放大器和與所述磁通放大器級(jí)聯(lián)的第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件；與所述雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件相連的、如上任一所述的讀出電路；與所述讀出電路中的受控積分反饋?zhàn)与娐废噙B、且與所述第一級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件互感的第一反饋線圈；與所述讀出電路中的受控放大組件相連、且與所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件互感的第二反饋線圈。
[0021]優(yōu)選地，所述雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鬟€包括:密封所述第二級(jí)超導(dǎo)量子干涉器件和第二反饋線圈的第一超導(dǎo)屏蔽容器；第二超導(dǎo)屏蔽容器，用于密封所述第一超導(dǎo)屏蔽容器、所述磁通放大器、第一反饋線圈和用于引入外界檢測(cè)磁信號(hào)的檢測(cè)線圈。
[0022]如上所述，本發(fā)明的讀出電路及所適用的雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鳎哂幸韵掠幸嫘Ч?通過受控放大組件和受控積分反饋?zhàn)与娐穪矸謩e向雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件中的兩個(gè)SQUID進(jìn)行反饋，不僅能夠單獨(dú)調(diào)節(jié)兩個(gè)SQUID的工作點(diǎn)，還能保證讀出電路的帶寬，以適用于各種不同雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件；同時(shí)，利用歸零原理實(shí)現(xiàn)了讀出電路及兩個(gè)反饋線圈所構(gòu)成的環(huán)路的單環(huán)路鎖定和雙環(huán)路鎖定工作模式的無縫切換。
【附圖說明】
[0023]圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的雙級(jí)超導(dǎo)量子干涉組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3顯示為本發(fā)明的雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4顯示為本發(fā)明的雙級(jí)的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅髦械淖x出電路的一種優(yōu)選方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5顯示為本發(fā)明