[發明專利]一種直讀式磁通調制讀出電路及方法

在審

• 申請號: 201610066331.4
• 申請日: 2016-01-29
• 公開（公告）號: CN105676152A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 榮亮亮;張懿;蔣坤;王永良;伍俊;謝曉明
• 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: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明涉及磁傳感器技術領域，特別是涉及一種直讀式磁通調制讀出電路及方 法。

背景技術

超導量子干涉器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevice，SQUID)是 一種靈敏度極高的磁敏感器件，可構建超導磁傳感器。廣泛應用于生物磁場、地球磁場異 常、極低場核磁共振及地球物理勘探等微弱磁場探測應用領域，其探測靈敏度已經達到飛 特(10^-15特斯拉)量級。SQUID磁傳感器是極限探測、科學研究中重要的磁傳感器設備，具有 很高的科研和應用價值。

實際應用時，SQUID多工作于低頻段(小于10Hz)，低頻噪聲性能是決定應用效果的 重要性能指標。前置放大器的低頻噪聲和SQUID芯片的臨界電流漲落等是SQUID磁傳感器低 頻噪聲的主要噪聲來源，嚴重制約了SQUID在低頻磁測領域的應用(尤其是生物磁探測和地 球物理勘探應用)。針對該問題，目前國際上已經有專利針對SQUID磁傳感器的低頻噪聲抑 制提出了解決方案：

現有技術中公開了一種基于磁通調制技術降低磁傳感器低頻噪聲的方法，該方法通過在傳感器中加入較高頻率的調制磁通，將被測低頻信號調制到高頻處(一般100kHz左右)，從而避開前置放大器的低頻噪聲段，實現低頻噪聲抑制；同時，該方法也可以對臨界電流漲落引入的同相低頻噪聲的有效抑制(尤其是對高溫SQUID)。為了實現良好的阻抗匹配，以降低前置放大器噪聲，這里在SQUID和前置放大器中間引入了變壓器。如圖1所示為實現該方法的磁通調制電路1，包括SQUID器件11、變壓器12、前置放大器13、解調器14、積分器15、調制解調信號發生器16、反饋電阻Rf、反饋線圈Lf以及電阻。SQUID器件11通過電阻與變壓器12的原邊相連接，變壓器12的副邊輸出接入到前置放大器13，前置放大器13的輸出接入解調器14中進行解調，解調后的輸出接入積分器15積分后通過反饋電阻Rf和反饋線圈Lf將該磁通反饋回SQUID器件11中，從而保證SQUID磁通工作點不變化，調制磁通的信號由調制解調信號發生器16產生，經過電阻衰減后同樣送入反饋線圈Lf，對SQUID的磁通工作點進行調制，同時，調制解調信號發生器16也產生同步的解調信號送入解調器14中。變壓器12的引入產生了三個負面影響：(1)SQUID輸出電壓信號幅度降低(變壓器源邊負載)；(2)SQUID輸出信號的高頻諧波成分被濾除，導致工作點處的變小；(3)變壓器本身存在熱噪聲，因此，磁通調制讀出電路的噪聲并不比直讀式讀出電路好(尤其是對于大βc的SQUID芯片)，此外，變壓器12的引入也導致電路結構更復雜，實用性下降。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種直讀式磁通調制讀出電路及方法，用于解決現有技術中變壓器的引入帶來的熱噪聲、信號幅度降低、工作點處的變小等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種直讀式磁通調制讀出電路，所 述直讀式磁通調制讀出電路至少包括：

SQUID器件，用于檢測被測磁通信號并轉化為相應的電信號輸出；

前置放大器，與所述SQUID器件相連，對所述SQUID器件輸出的電信號進行放大；

高通濾波器，與所述前置放大器相連，用于濾除所述前置放大器輸出的直流量和 低頻噪聲；

調制解調信號發生器，用于產生磁通調制信號和磁通解調信號；

解調器，與所述高通濾波器及所述調制解調信號發生器相連，根據所述磁通解調 信號對所述高通濾波器的輸出信號進行解調；

積分器，與所述解調器相連，對所述解調器的輸出信號進行積分，并輸出與所述被 測磁通信號成比例的響應電壓信號；

反饋模塊，與所述積分器及所述調制解調信號發生器相連，將所述響應電壓信號 通過所述磁通調制信號調制后反饋至所述SQUID器件，以此鎖定工作點。

優選地，所述高通濾波器包括連接于所述前置放大器和所述解調器之間的電容， 以及一端連接于所述電容輸出端、另一端接地的電阻。

優選地，所述反饋模塊包括反饋電阻及反饋線圈；所述反饋電阻的一端連接所述 積分器的輸出端，另一端連接所述反饋線圈；所述反饋線圈的另一端接地，所述反饋電阻及 所述反饋線圈之間連接所述磁通調制信號。

更優選地，所述磁通調制信號為占空比為50％的方波信號。