本发明专利技术涉及一种基于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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于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。
技术介绍
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Ι/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IOOkHz左右)，从而避开前置放大器的Ι/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。本专利技术将在专利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
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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Ll线圈(2)构成第一条支路，分流电阻(3)和L2线圈串联构成第二条支路，Ll和L2线圈为靠近SQUID器件的多匝空心线圈，Ll线圈为KT1IiH量级，L2线圈为3nH左右。Ll线圈Q)、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O.Olms-lOms，可根据实际情况调整)、反馈电阻(12)(—般为数十至数百K Ω电阻)和反馈线圈(13)(—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)。本专利技术提供一种基于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是本专利技术提供的SBC偏置反转的电路结构图。图中1.超导SQUID器件；2. Ll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。具体实施例方式下面结合附图，进一步阐述本专利技术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Ll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Ll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， 以便读出电路工作本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：荣亮亮，张国峰，董慧，王永良，王会武，谢晓明，江绵恒，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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