[发明专利]采用单个运算放大器的超导量子干涉器磁传感器

摘要

本发明涉及一种采用单个运算放大器的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于使用一个低噪声的运算放大器，以开环的方式对SQUID电压信号进行放大，并由单个运算放大器开环输出直接驱动反馈电阻及反馈线圈。取代了传统磁通锁定环路中的前置放大器和积分器。所述的采用单个运算放大器SQUID磁通锁定环路有正、负端输入接线方式，且正、负端输入接线方式各有三种形式可选。本发明特点是只使用一个运算放大器实现SQUID磁通锁定环路，电路简单。避免了传统电路中积分器的使用，减小环路延时，使磁通锁定环路实现更高的带宽。在SQUID多通道应用中具有重要的意义。

主权项

一种采用单个运算放大器的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于只使用一个低噪声的运算放大器，以开环的方式对SQUID电压信号进行放大，并由单个运算放大器开环输出直接驱动反馈电阻及反馈线圈，从而取代了传统磁通锁定环路中的前置放大器和积分器；采用单个运算放大器的SQUID磁通锁定环路有以下两种接线方式：1)正端输入接线方式：偏置电流源提供的偏置电流Ib加载到SQUID中，SQUID电压信号接入运算放大器的正输入端；偏置电压Vb接入运算放大器的负输入端，运算放大器的输出端接反馈电阻Rf的一端，反馈电阻的另一端接反馈线圈，反馈线圈与SQUID通过互感耦合，运算放大器输出电压驱动反馈电阻Rf产生电流，通过反馈线圈与SQUID互感Mf产生反馈磁通，构成磁通锁定环路；2)负端输入接线方式：偏置电流源提供的偏置电流Ib加载到SQUID中，SQUID电压信号接运算放大器的负输入端，偏置电压Vb接运算放大器的正输入端，运算放大器的输出端接反馈电阻Rf的一端，反馈电阻的另一端连接反馈线圈，反馈线圈与SQUID通过互感耦合，运算放大器输出电压驱动反馈电阻Rf产生电流，通过反馈线圈与SQUID互感Mf产生反馈磁通，构成磁通锁定环路；此外，(一)正端输入接线方式有以下A、B和C三种中的任一种：A：①供电电源+Vs和‑Vs：整个电路采用双极性电源供电，即正电源端+Vs接入正电压电源和负电源端‑Vs接入负电压电源；②SQUID偏置电流调节电路B1：其功能是给SQUID加载一个流向SQUID的两个约瑟夫森结的偏置电流，通过调节加载到SQUID偏置电流的大小，使得SQUID获得最佳的磁通电压转换特性；可调偏置电流电路中可调电位器RA1是一个三端子的可调电阻，其中电位器的1和2的两端为一个固定阻值的电阻，电位器的3端为可调电阻抽头，电位器RA1的1和2两端分别接到正电源+Vs和负电源‑Vs；电位器RA1的3端输出电位器电阻分压，通过调节电位器抽头位置产生可调电压；该电压输出接电阻R1,电阻R1的另一端与SQUID串联；③SQUID偏置电压调节电路B2：其功能是产生一个可调节的直流电压，接入运算放大器的负输入端；通过调节使该电压与SQUID工作点处的直流电压相同，实现工作点调零，可调偏置电压电路中的可调电位器RA2是一个三端子的可调电阻器，其中电位器的1和2两端为一个固定端，其电阻值在10k欧姆到100k欧姆之间，电位器RA1的1和2两端分别接正电源+Vs和负电源‑Vs，可变电阻引出抽头端3端输出电阻分压，该电压接电阻R3的一端，R3另一端与R2串联，R2另一端接地；R2与R3的连接端将产生的电阻分压引出作为偏置电压信号Vb；④SQUID器件SQ1：SQ1使用放置在4.2K的液氦温度下工作的低温直流超导量子干涉器件或放置在77K的液氮温度下工作的高温直流超导量子干涉器件，是一个两端子器件，SQ1的一端接入运算放大器正输入端，同时与偏置电流电路B1的电流输出端相连，SQ1的另一端接地；⑤反馈线圈L1：是一个与SQUID具有互感耦合的线圈，反馈线圈将反馈回路产生的电流转变成反馈磁通耦合到SQUID中，形成抵消磁通；反馈线圈L1一端接反馈电阻Rf,另一端接地；⑥运算放大器U1：采用双极性供电的低噪声运算放大器，具有正输入端和负输入端两个电压信号输入端，一个电压信号放大输出端；运算放大器正输入端接SQUID电压输出，负输入端接偏置电压输出，放大器输出作为整个传感器的输出，同时接反馈电阻Rf；⑦反馈电阻Rf：反馈电阻Rf一端接运算放大器U1的输出，另一端接反馈线圈L1，反馈电阻Rf将放大器输出电压转换为反馈电流输入反馈线圈，产生反馈磁通；B：在A的基础上，增加一个复位开关K1实现复位；K1的一端接运算放大器U1的负输入端，K1的另一端接运算放大器U1的输出端，当复位开关闭合时，运算放大器U1的输出端与负输入端等电位，运算放大器由开环高增益放大变为单位增益的放大，输出迅速减小，电路实现复位；当复位开关K1断开时，电路重新锁定；C：在B的基础上，再增加一个反馈电阻Rg和一个单刀双掷开关SW1，使得磁通锁定环路具备工作点调试功能，其中，单刀双掷开关具有三个接线端子，其中端子3定义为为单刀固定接线端，端子1定义为第一触点接线端，端子2定义为第二触点接线端；单刀双掷开关的SW1的单刀固定接线端与运算放大器U1的输出端相连，SW1的端子1与电阻Rg一端连接，Rg的另一端接运算放大器U1的负输入端；SW1的端子2与反馈电阻Rf的一端相连，反馈电阻Rf的另一端接反馈线圈L1；当SW1单刀开关与第二触点断开，与第一触点接通，电阻Rg与运算放大器U1输出端连接；此时，磁通锁定环路开环运行，运算放器U1工作在比例放大模式，实现SQUID电压信号的比例放大，监测运算放大器的输出电压Vf，观测磁通电压传输特性曲线，辅助SQUID工作点、偏置电流和偏置电压的调节；在完成最佳的偏置电流、偏置电压调节后，将SW1单刀开关与第一触点断开，与第二触点接通，运算放大器U1输出端与反馈电阻Rf连接，此时磁通锁定环路闭环实现锁定输出；(二)负端输入接线方式有以下D、E和F中的任一种：①D为(一)中A方式的SQUID电压信号接入运算放大器U1的负输入端，偏置电压信号接入运算放大器的正输入端，其余特征同A；②E为(一)中B方式的SQUID电压信号接入运算放大器U1的负输入端，偏置电压信号接入运算放大器的正输入端，其余特征同B；③F为(一)中C方式的SQUID电压信号接入运算放大器U1的负输入端，偏置电压信号接入运算放大器的正输入端，其余特征同C。