基于SQUID偏置电压反转的读出电路及低频噪声的抑制方法

摘要

本发明涉及一种基于SQUID偏置电压反转的读出电路及低频噪声的抑制方法，其特征在于通过偏置反转电路，实现偏置反转，从而抑制低频噪声的产生，具体是所述的读出电路是由SBC构型SQUID低温部分和偏置反转读出电路两部分构成。抑制方法主要过程包括：(1)放大器输入偏置电压调整；(2)交流方法偏置电压加在；(3)磁通相位调整与直流磁通补偿；(4)载波消除；(5)积分反馈输出。本发明所涉及的电路结构相对简单，便于多通道集成，可广泛应用于生物磁、物探等低频测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SQUID偏置电压反转的读出电路及低频噪声抑制方 法，所述的低频噪声抑制是基于偏置电压反转的读出电路实现的。

背景技术

超导量子干涉器件(SQUID)是一种灵敏度极高的磁敏感器件，可构建 超导磁传感器并用于生物磁、低场磁共振及物探等领域实现高精度磁测量。 根据工作原理不同，可以将超导量子干涉器件分为DC SQUID和RF SQUID 两类，偏置电流涨落、磁通陷入(flux trap)等因素导致SQUID低频本征 噪声显著，前置放大器等电路的低频噪声也会导致基于SQUID的磁传感器 (尤其是高温超导SQUID磁传感器)产生较大低频噪声，严重制约SQUID 在低频磁测量领域的应用。

SQUID偏置模式有电流偏置与电压偏置两种模式，目前已有多种基于超 导SQUID的低频噪声抑制方法。

电流偏置模式：专利US6501268B1公布了一种基于磁通调制技术降低磁 传感器低频1/f噪声的方法，该方法通过在传感器中加入较高频率的调制磁 通，将被测低频信号调制到高频处(一般100kHz左右)，从而避开前置放 大器的1/f噪声，实现低频噪声抑制。该方法可有效抑制前置放大器引入的 低频噪声。专利US4389612公布了一种偏置电流反转技术抑制SQUID低频 噪声的方法，该方法通过改变SQUID偏置电流(从直流到交流方波)，在 放大器输出端进行解调消除载波，可消除临界电流涨落因素导致的SQUID 低频噪声，该专利也公布了偏置电流反转和磁通调制技术相结合的低频噪 声抑制方法，可同时实现对前置放大器和电流涨落引入的低频噪声抑制。

电压偏置模式：专利EU647722(SQUID with a coil inductively coupled to  the SQUID via a mutual inductance)公布了一种叫做SBC(SQUID boottrap  circuit)的SQUID构型，该构型包括一个SQUID和一个与之相耦合的线圈， 可实现对前置放大器噪声的自反馈抑制，抑制效果与磁通调制技术相同。 在直流偏置模式下，该构型的读出电路结构大大简化，对于多通道SQUID 磁测量具有重要意义。

针对电流偏置模式，专利US6501268B1公布的磁通调制方法和专利 US4389612公布的偏置反转与磁通调制相结合的方法在抑制低频噪声方面 效果明显。针对电压偏置模式下工作的SBC构型SQUID，噪声自补偿技术 实现了与磁通调制类似的功能，但是在直流偏置模式下，磁通陷入和偏置 电流涨落引入的SQUID低频本征噪声无法得到有效消除，急需在SBC构型 SQUID基础上开发一种方法，实现对SQUID低频本征噪声的有效抑制。

本发明将在专利EU647722公布的直流偏置SBC构型的基础上，提出一 种基于SBC构型SQUID的偏置反转技术的低频本征噪声的抑制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SBC构型SQUID偏置电压反转的读出 电路及低频噪声抑制方法，实现对临界电流涨落和磁通陷入引入的低频本 征噪声的抑制。本发明的目的是通过以下方式实现的：

依专利EU647722公布的SBC构型：超导SQUID器件(1)与L1线圈 (2)构成第一条支路，分流电阻(3)和L2线圈(4)串联构成第二条支 路，L1和L2线圈为靠近SQUID器件的多匝空心线圈，L1线圈为10^-1nH 量级，L2线圈为3nH左右。L1线圈(2)、L2线圈和反馈线圈(13)与超 导SQUID器件(1)均存在耦合关系(图中用箭头表示)。这两个支路并联 即构成了SBC构型的低温部分。两个支路并联后连接到运算放大器(5)反 相输入端，直流偏置调整电压源(7)从运算放大器同相端加入到两条并联 支路的两端。

基于SBC构型的偏置电压反转通过以下方式实现：运算放大器(5)和 跨导电阻(6)构成跨导前置放大器，跨导电阻一般为3K-10K，SBC构型 (1、2、3、4)连接到跨导前置放大器，跨导前置放大器的输出连接到次 级放大器(8)，次级放大器增益一般为50-200倍，其输出连接到载波消除 单元(9)、积分器(10)(积分时间常数一般为0.01ms-10ms，可根据实际 情况调整)、反馈电阻(12)(一般为数十至数百KΩ电阻)和反馈线圈(13) (一般为3-10匝，毫米量级直径的空心线圈，电感为纳亨量级)，方波信号 发生器(11)产生三路方波信号(分别用于偏置电压，载波消除和直流磁通 补偿及磁通调整)，作为偏置电压的方波信号连接到运算放大器(5)的同 相输入端，载波消除方波信号连接到载波消除单元(9)，直流磁通补偿与 磁通调整方波信号连接到反馈线圈(13)。

本发明提供一种基于SBC构型的偏置电压反转SQUID电路读出电路及低 频噪声的方法，实现对SQUID低频本征噪声和前置放大器引入的低频噪声的 抑制。该方法是直接读出方法，电路结构相对简单，便于多通道集成，可广 泛应用于生物磁、物探等低频磁测量。

附图说明

图1是SBC偏置反转实现的原理示意图，从左到右分别为SBC构型工作 于直流偏置下的磁通-电流曲线(a)、加入方波偏置后的磁通-电流曲线(b)、进 行磁通相位调整和直流磁通补偿后的磁通-电流曲线(c)和进行载波消除后的 磁通-电流曲线(d)。

图2是本发明提供的SBC偏置反转的电路结构图。图中：

1.超导SQUID器件；2.L1线圈；3.分流电阻；4.L2线圈；5.运算放大器； 6.跨导电阻；7.偏置电压调整单元；8.次级放大器；9.载波消除单元；10.积 分器；11.方波信号发生器；12.反馈电阻；13.反馈线圈。

图3是加法器实现载波消除的原理示意图。

图4是方波信号发生器产生的三组信号波形与时序图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步。

直流电压偏置：SBC构型SQUID的磁通-电流曲线如附图1的图(a)所 示。直流电压偏置模式下，外磁通信号转化为电流信号读出，磁通-电流曲线 可直观描述SQUID的磁通转换特性。SBC构型的磁通-电流曲线受该构型电 感耦合的综合影响，不再是对称的类正弦波形，出现了陡边和缓边的区别， 当工作点锁定在陡边上时，电流/磁通转化系数最大；同时，并联电感使SBC 构型的动态电阻变大。上述两个效应共同实现对前置放大器输入电压噪声的 抑制。

方波偏置电压加载：基于上述SBC构型，加入方波偏置电压后，磁通-电 流曲线变化为图1(b)所示的波形：由于交流方波偏置电压的加入，磁通- 电流曲线随方波反转，出现正负两条磁通-电流曲线包络，两条曲线中间是放 大器输出信号中包含的方波载波。

磁通相位调整：在不考虑线圈L1和L2磁通对SQUID影响的前提下，正 负磁通-电流曲线相位相差180度，由于SBC构型磁通-电流曲线陡边和缓边 变化规律不一致，无法进行工作点锁定并读出磁通信息，需要将正负磁通-电 流曲线相位偏移调整180度，使正负磁通-电流曲线相位一致。

直流磁通补偿：实际使用时，线圈L1和L2会在SQUID中产生磁通，导 致相位调整后的正负磁通电流曲线仍然存在相位偏移，这可通过直流磁通补 偿，消除相位漂移，并使正负磁通电流曲线相位同相对齐。

磁通相位调整和直流磁通补偿原理示意图如附图1(c)所示。

载波消除：为消除磁通-电流曲线中方波偏置电压引入的方波载波，需要利 用载波消除单元，消除输出信号中的载波成分，将相同相位的正负磁通-电流 曲线合并为一条，以便读出电路工作点锁定，从而实现外界磁通变化的检测， 过程如附图1(d)所示。

图2是本发明提供的为抑制低频噪声设计的基于偏置反转电路，所述的 电路由SBC构型SQUID和偏置反转读出电路两部分构成。

图中，SQUID器件1与串联耦合线圈2串联构成串联支路，分流电阻 3和一个并联耦合线圈4串联构成第二条支路。这两个支路并联构成SBC 构型的低温部分，共同连接到运算放大器5反相输入端，跨导电阻6两端 分别连接运算放大器5反相输入端和输出端，直流偏置调整电压源7从运 算放大器5同相端加入，运算放大器5的输出连接到次级放大器8，并依次 连接到载波消除单元9、积分器10、反馈电阻12和反馈线圈13，方波信号 发生器11产生三路方波信号(分别用于偏置电压，载波消除和磁通调整)， 用于偏置电压：连接到运算放大器5的同相输入端，载波消除：连接到载 波消除单元9，磁通调整：连接到反馈线圈13。

利用图2所述的读出电路基于以下调整步骤，实现偏置反转电路工作， 从而实现对SQUID传感器的低频噪声的抑制。

1、放大器输入偏置电压调整

由运算放大器(5)和跨导电阻构成的跨导前置放大器增益一般在60-80dB， 跨导前置放大器输入端存在输入失调电压，如未经补偿直接连接SQUID时， 可能导致静电放电损坏SQUID器件，同时也将导致加入交流方波偏置电压后 SQUID两端偏置电压不对称，并引入噪声。因此通过直流偏置调整电压源(7)， 对放大器输入失调电压进行补偿。

2、交流方波偏置电压加载

交流方波偏置电压由方波信号发生器(11)产生，并输出到跨导前置放大 器中运算放大器(5)的同相输入端。基于运算放大器“虚短”原理，该交流 方波偏置电压将在SBC构型两端建立交流方波偏置电压，加入交流方波偏置 电压后，放大器输出的磁通-电流曲线如图1(b)所示。

3、磁通相位调整与直流磁通补偿

在反馈线圈两端与偏置电压同频同相的方波电流信号，在SQUID中产生方 波磁通。该方波磁通幅度直接对应SQUID正负电流-磁通曲线相位调整大小， 通过适当调整方波电流幅度大小，可同时实现磁通相位调整和直流磁通补偿， 使SQUID正负磁通-电流曲线相位一致。

4、加法器或低通滤波器实现载波消除

载波消除可以采取两种方法：

加法器载波消除：方波信号发生器产生与放大器输出偏置方波同频反相的 方波波形，将该方波与放大器输出信号相加，利用正负抵消原理消除包含在 放大器输出信号中的载波成分。载波消除后，正负两条磁通-电流曲线在横坐 标轴上合并为一条曲线，具体抵消原理与过程如附图3所示。

低通滤波器载波消除：将进行磁通相位调整和直流磁通补偿后的输出信号 输入到低通滤波器中，低通滤波器截止频率高于信号频率并低于载波频率， 则基于该低通滤波器可有效消除放大器输出信号中的高频载波成分，使正负 两条磁通-电流曲线在横坐标轴上合并为一条曲线。

基于上述两种方法实现对放大器输出信号中包含的载波消除，避免使用电 子开关解调引入附加的电路噪声。

5、积分反馈输出

经过上述磁通调整和载波消除后，可采用通用的积分反馈读出方法，即通 过积分器积分，将其输出信号通过反馈电阻加入到反馈线圈转变为反馈磁通， 将SQUID环内磁通锁定在工作点处，并通过测量反馈电阻两端的压降读出外 界磁场变化信息。

如图4所示方波信号发生器产生的三路方波信号：V1(偏置电压方波)、 V2(载波消除方波)和V3(磁通相位调整及直流磁通补偿方波)，V1和V2 是双极性方波，V3可以是单极性方波，也可以是双极性方波，这三个方波同 频同相。