[發明專利]基于三端變壓器的超導SQUID偏置反轉前端電路及調整方法

有效

• 申請號: 201110254078.2
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102426342A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 榮亮亮;王永良;董慧;王會武;謝曉明;江綿恒
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01R33/035
• 分類號: G01R33/035
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種超導SQUID偏置反轉前端電路，尤其是涉及前端電路中的三端變壓器。

背景技術

超導量子干涉器件(SQUID)是一種靈敏度極高的磁敏感器件，可實現極微弱磁信號(fT量級)的測量。按照偏置方式不同，讀出電路可分為恒流偏置與電壓偏置，目前廣泛應用的為電流偏置讀出電路。電流偏置可以是直流或交流，當SQUID為交流偏置(即偏置反轉)時，可實現前置放大器噪聲和臨界電流漲落導致的低頻噪聲(尤其是高溫SQUID)的抑制。偏置電流反轉電路中，交流偏置電流通過SQUID產生壓降，并伴隨外磁通產生的電壓信號一起輸入到前置放大器輸入端，增加后期電路調理難度。目前一般采用橋式平衡電路在放大器前端實現交流偏置電流補償。

目前國內外已有相關的專利介紹橋式平衡電路和基于該電路構建交流偏置前端的方法。

專利US4389612公布了一種偏置電流反轉技術抑制SQUID低頻噪聲的方法，該方法通過為SQUID提供交流電流偏置，在放大器輸出端進行解調消除載波，可消除臨界電流漲落因素導致的SQUID低頻噪聲，該專利也公布了偏置電流反轉和磁通調制技術相結合的低頻噪聲抑制方法，可同時抑制前置放大器噪聲和臨界電流漲落引入的低頻噪聲。

專利US5095270公布了一種基于橋式電路的偏置反轉抑制SQUID低頻噪聲的方法。該專利公布的橋路包括由偏置反轉電流信號發生器依次連接的第一阻抗橋臂和第二橋臂(SQUID)以及補償信號發生器連接第三阻抗橋臂和第四阻抗橋臂。從第一和第二橋臂連接處引出第一結點，從第三和第四橋臂連接處引出第二結點。上述兩個結點作為變壓器原邊的輸入端，含變壓器副邊連接射頻放大器。該方法采用橋式電路實現交流偏置的補償，使得電路輸出僅為測量磁場信息，不再包含交流偏置信號。

以上專利多般采用電阻與SQUID構建平衡橋路，并采用變壓器實現信號的讀取。然而，變壓器原邊電感將導致方波偏置電流波形畸變，從而導致SQUID工作點變化，增大輸出噪聲。尤其是當偏置反轉頻率較高時，畸變更加嚴重，同時，讀出電路與SQUID間較長的連接線，該連接線也將會導致交流方波偏置電流畸變，同樣將增大SQUID的噪聲。

所以，基于以上的認知，本申請發明人擬提出一種基于三端平衡變壓器，構建一種橋式平衡前端電路結構，并采用波形補償方法消除變壓器電感導致的對偏置電流波形的影響，以保證SQUID偏置電流仍為標準的方波。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于三端變壓器的偏置反轉前端電路，以抑制偏置反轉波形畸變，從而保證SQUID工作點穩定，降低偏置反轉電路引入的噪聲。本發明的目的是通過以下方式實現的：

三端變壓器是所述的前端電路的核心，三端變壓器的兩個原邊和副邊是被繞制在同一個磁環上。三端變壓器中的一個原邊和電阻串聯后與SQUID并聯構成SQUID支路，三端變壓器中的另一個原邊則與電位器串聯構成波形補償支路，而三端變壓器的副邊一端接地，另外一端連接前置放大器。

方波信號發生器與補償信號發生器的輸出信號通過加法器(9)實現波形合成后，通過偏置調整電位器連接到SQUID支路。反饋線圈與SQUID(4)存在互感耦合。補償信號發生器與補償調整電位器連接，為波形補償支路提供波形補償信號。

本發明所述的三端變壓器由繞制在同一個磁環上的三組線圈構成，三端變壓器兩原邊的匝數一般為5-20匝左右，電感量受磁環特性影響，一般為微亨量級，用于實現SQUID磁通信號傳輸和方波偏置波形的補償。三端變壓器副邊為20～250匝左右，電感量為數十～數百毫亨，主要用于輸出經過變壓器放大后的信號。通過在SQUID并聯支路加入合成波形，可實現SQUID偏置為理想的方波偏置電流，并可借助補償支路對輸入前置放大器的偏置載波進行補償。

綜上所述，本發明提供的一種基于三端變壓器的偏置反轉前端電路。所述的超導SQUID偏置反轉前端電路，包括：

在三端變壓器實現偏置電流補償中，三端變壓器由兩個原邊和一個副邊組成，三端變壓器中的一個原邊用于傳輸SQUID磁通信號，三端變壓器中另一個原邊用于補償SQUID磁通信號中的偏置載波成分，三端變壓器副邊輸出磁通信號。

在合成波形為SQUID提供偏置電流中，三端變壓器中的一個原邊與SQUID及電阻構成的SQUID并聯支路輸入波形為合成信號，以保證SQUID偏置電流波形為理想方波，同時傳輸線及變壓器原邊電流波形邊沿變緩，抑制尖峰噪聲。