CN102426342B - 基于三端变压器的超导squid偏置反转前端电路及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于三端变压器的SQUID前端电路与其调整方法。三端变压器由绕制在同一个磁环上的三组线圈构成，三端变压器原边(1)和(2)用于实现SQUID磁通信号传输和方波偏置波形的补偿，副边主要用于信号输出；通过在SQUID并联支路加入合成波形，可实现SQUID偏置为理想的方波偏置电流，并可借助补偿支路对输入前置放大器的偏置载波进行补偿。本发明还提供了前端电路的调整方法，主要思路是采用低频调节-高频使用，包括偏置电流调整与工作点测定、合成波形调整、波形补偿和高频微调步骤。

Description

基于三端变压器的超导SQUID偏置反转前端电路及调整方法

技术领域

本发明涉及一种超导SQUID偏置反转前端电路，尤其是涉及前端电路中的三端变压器。

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，可实现极微弱磁信号(fT量级)的测量。按照偏置方式不同，读出电路可分为恒流偏置与电压偏置，目前广泛应用的为电流偏置读出电路。电流偏置可以是直流或交流，当SQUID为交流偏置(即偏置反转)时，可实现前置放大器噪声和临界电流涨落导致的低频噪声(尤其是高温SQUID)的抑制。偏置电流反转电路中，交流偏置电流通过SQUID产生压降，并伴随外磁通产生的电压信号一起输入到前置放大器输入端，增加后期电路调理难度。目前一般采用桥式平衡电路在放大器前端实现交流偏置电流补偿。

目前国内外已有相关的专利介绍桥式平衡电路和基于该电路构建交流偏置前端的方法。

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，该方法通过为SQUID提供交流电流偏置，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，可同时抑制前置放大器噪声和临界电流涨落引入的低频噪声。

专利US5095270公布了一种基于桥式电路的偏置反转抑制SQUID低频噪声的方法。该专利公布的桥路包括由偏置反转电流信号发生器依次连接的第一阻抗桥臂和第二桥臂(SQUID)以及补偿信号发生器连接第三阻抗桥臂和第四阻抗桥臂。从第一和第二桥臂连接处引出第一结点，从第三和第四桥臂连接处引出第二结点。上述两个结点作为变压器原边的输入端，含变压器副边连接射频放大器。该方法采用桥式电路实现交流偏置的补偿，使得电路输出仅为测量磁场信息，不再包含交流偏置信号。

以上专利多般采用电阻与SQUID构建平衡桥路，并采用变压器实现信号的读取。然而，变压器原边电感将导致方波偏置电流波形畸变，从而导致SQUID工作点变化，增大输出噪声。尤其是当偏置反转频率较高时，畸变更加严重，同时，读出电路与SQUID间较长的连接线，该连接线也将会导致交流方波偏置电流畸变，同样将增大SQUID的噪声。

所以，基于以上的认知，本申请发明人拟提出一种基于三端平衡变压器，构建一种桥式平衡前端电路结构，并采用波形补偿方法消除变压器电感导致的对偏置电流波形的影响，以保证SQUID偏置电流仍为标准的方波。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三端变压器的偏置反转前端电路，以抑制偏置反转波形畸变，从而保证SQUID工作点稳定，降低偏置反转电路引入的噪声。本发明的目的是通过以下方式实现的：

三端变压器是所述的前端电路的核心，三端变压器的两个原边和副边是被绕制在同一个磁环上。三端变压器中的一个原边和电阻串联后与SQUID并联构成SQUID支路，三端变压器中的另一个原边则与电位器串联构成波形补偿支路，而三端变压器的副边一端接地，另外一端连接前置放大器。

方波信号发生器与补偿信号发生器的输出信号通过加法器(9)实现波形合成后，通过偏置调整电位器连接到SQUID支路。反馈线圈与SQUID(4)存在互感耦合。补偿信号发生器与补偿调整电位器连接，为波形补偿支路提供波形补偿信号。

本发明所述的三端变压器由绕制在同一个磁环上的三组线圈构成，三端变压器两原边的匝数一般为5-20匝左右，电感量受磁环特性影响，一般为微亨量级，用于实现SQUID磁通信号传输和方波偏置波形的补偿。三端变压器副边为20～250匝左右，电感量为数十～数百毫亨，主要用于输出经过变压器放大后的信号。通过在SQUID并联支路加入合成波形，可实现SQUID偏置为理想的方波偏置电流，并可借助补偿支路对输入前置放大器的偏置载波进行补偿。

综上所述，本发明提供的一种基于三端变压器的偏置反转前端电路。所述的超导SQUID偏置反转前端电路，包括：

在三端变压器实现偏置电流补偿中，三端变压器由两个原边和一个副边组成，三端变压器中的一个原边用于传输SQUID磁通信号，三端变压器中另一个原边用于补偿SQUID磁通信号中的偏置载波成分，三端变压器副边输出磁通信号。

在合成波形为SQUID提供偏置电流中，三端变压器中的一个原边与SQUID及电阻构成的SQUID并联支路输入波形为合成信号，以保证SQUID偏置电流波形为理想方波，同时传输线及变压器原边电流波形边沿变缓，抑制尖峰噪声。

在基于三端变压器的前端电路调整方法中，采用低频调节-高频使用的调整思路，首先使用低频方波确定SQUID工作点和SQUID并联支路的波形时间常数，并实现波形补偿；然后采用高频方波实现偏置补偿微调；最后SQUID检测的外磁通信号可由FLL电路读出。

总之，三端变压器两个原边用于实现SQUID磁通信号传输和方波偏置波形的补偿，副边主要用于信号输出；通过在SQUID并联支路加入合成波形，可实现SQUID偏置为理想的方波偏置电流，并可借助补偿支路对输入前置放大器的偏置载波进行补偿。通过提供边沿缓变的合成偏置电流，使得SQUID偏置电流波形为理想方波，有效抑制变压器电感导致的波形畸变；同时，边沿缓变的合成偏置电流避免了边沿快速变化导致的尖峰噪声，有利于降低读出电路噪声。

附图说明

图1为基于三端变压器构建的偏置反转前端电路；

图2为基于三端变压器的前端电路各点波形。a)为方波信号发生器(10)输出波形；b)为补偿信号发生器(11)输出波形；c)为(a)和(b)经加法器(9)波形合成后的输出波形；d)为流过SQUID电流波形；e)为偏置电流流过变压器原边(1)的波形；f)为补偿信号流过变压器原边(2)的波形。

具体实施方式

下面通过结合附图的描述，以进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

参阅图1，三端变压器是该前端电路的核心，三端变压器的两个原边1、2和副边3绕制在同一个磁环上。三端变压器中的一个原边1和电阻6串联后与SQUID 4并联构成SQUID支路，三端变压器中的另一个原边2与电位器8串联构成波形补偿支路，变压器的副边一端接地，另外一端连接前置放大器5。

方波信号发生器10与补偿信号发生器11的输出信号通过加法器9实现波形合成后，通过偏置调整电位器7连接到SQUID支路。反馈线圈12与SQUID 4存在互感耦合。补偿信号发生器11与补偿调整电位器8连接，为波形补偿支路提供波形补偿信号。

下面结合图2对本申请各点波形的介绍阐明三端变压器的前端电路工作原理：

方波信号发生器10的波形输出(图2(a))与补偿信号发生器的输出波形(图2(b))通过加法器合成，得到附图2(c)的波形。该波形通过偏置调整电位器7(100KΩ左右)提供给SQUID并联支路。当补偿信号完全补偿三端变压器中的一个原边1电流波形时，流过SQUID的电流波形为标准方波(图2(d))，而通过电阻6(数Ω～数十Ω)流过三端变压器原边1的电流恰好为补偿信号波形(图2(e))。同时，补偿信号通过补偿调整电位器8(100KΩ左右)，在三端变压器原边2中产生补偿电流(图2(f))，变压器原边1和2流过的电流波形一致，而由于两个原边线圈绕向相反，两个原边引入的磁通恰好抵消，在不考虑SQUID信号的情况下，变压器副边输出为0，实现了前置放大器输入端偏置电流的抵消。

由上述分析可以得知，本发明涉及的基于三端变压器的前端电路有两个明显优势：

(1)SQUID中流过电流为标准方波电流，不产生尖峰噪声

(2)合成偏置电流波形、三端变压器中的一个原边1和另一个原边2电

流波形不存在快速变化的边沿，避免方波边沿快速变化引入的尖峰噪声

本发明提供的基于三端变压器的超导SQUID偏置反转导前端电路的调整是按照以下步骤逐步实现：

(1)偏置电流调整与工作点测定

将电路按照上述结构连接完毕，并采用示波器监测前置放大器5的输出信号。断开开关S1和S2，由方波信号发生器10提供偏置电流，在反馈线圈12中加入正弦信号，反馈线圈12一般为3匝以上的，直径为1mm左右的多匝线圈，反馈线圈12通过互感在SQUID 4中形成反馈磁通。方波信号发生器频率为较低频(几百Hz或更低)。调整偏置调整电位器7，观测前置放大器S的输出，当磁通调制信号最大时，停止调整，记录前置放大器输出，并根据该输出波形推算获得SQUID工作在最佳工作点时，流过三端变压器原边1的波形。

(2)低频合成波形调整

保持偏置调整电位器不变，闭合开关S1，断开开关S2，采用双通道示波器同时监测补偿信号发生器11输出波形与前置放大器S输出，此时，反馈线圈12中不加入信号。调整补偿信号发生器11输出信号波形使之与步骤(a)已测三端变压器原边1的波形一致；逐渐调整补偿信号发生器输出信号的幅度，当前置放大器5输出波形经过计算回推后与补偿信号发生器波形形状和幅度一致时，合成波形调整结束。

(3)低频波形补偿

闭合开关S1和S2，采用示波器监测前置放大器5的输出。持续调整补偿调整电位器8，当前置放大器5输出分量偏置反转频率分量最小时，波形补偿调整结束，此时，交流偏置电流通过变压器中的一个原边1引入到前置放大器5输入端的分量被完全补偿。

(4)高频微调与锁定读出

保持前一步电路参数不变，将方波信号发生器和补偿信号发生器频率调整到较高频率(即实际使用时的频率，一般为100kHz以上)，观测输出波形并对电路各参数进行微调，当前置放大器(5)输出分量偏置反转频率分量最小时，调整结束。

正常工作时，将该前端电路连接传统磁通锁定环(FLL)电路进行磁通锁定读出，压制低频噪声，并获取外磁场信号。即低频调整，高频使用。

Claims (6)

1.一种基于三端变压器的偏置反转前端电路，其特征在于包括：

①所述的三端变压器由两个原边和一个副边绕制在同一个磁环上的三个线圈构成；

②三端变压器中的一个原边和电阻串联后与SQUID并联构成SQUID支路；三端变压器中的另一个原边与电位器串联构成波形补偿支路，变压器的副边一端接地，另外一端连接前置放大器；

③方波信号发生器与补偿信号发生器的输出信号通过加法器实现波形合成后，通过偏置调整电位器连接到SQUID支路，反馈线圈与SQUID互感耦合；补偿信号发生器与补偿调整电位器连接，为波形补偿支路提供波形补偿信号；

其中SQUID为超导量子干涉器件英文缩写。

2.按权利要求1所述的前端电路，其特征在于三端变压器中的一个原边用于传输SQUID磁通信号，三端变压器中的另一个原边用于补偿SQUID磁通信号中的偏置载波成分，三端变压器副边输出磁通信号。

3.按权利要求1所述的前端电路，其特征在于在合成波形为SQUID提供偏置电流中，三端变压器中的一个原边与SQUID及电阻构成的SQUID并联支路输入波形为合成信号，以保证SQUID偏置电流波形为理想方波，同时传输线及变压器原边电流波形边沿变缓，抑制尖峰噪声。

4.按权利要求1所述的前端电路，其特征在于三端变压器两个原边流过的电流波形一致，两个原边同各端相反，引入的磁通抵消。

5.按权利要求1所述的前端电路的调整方法，其特征在于采用低频调节-高频使用的调整方法：首先使用低频方波确定SQUID工作点和SQUID并联支路的波形时间常数；并实现波形补偿；然后采用高频方波实现偏置补偿微调；最后SQUID检测的外磁通信号由磁通锁定环电路读出。

6.按权利要求5所述的调整方法，其特征在于包括以下4步：

(a)偏置电流调整与工作点测定

将所述前端电路连接完毕，并采用示波器监测前置放大器(5)的输出信号；断开开关S1和S2，由方波信号发生器(10)提供偏置电流，在反馈线圈(12)中加入正弦信号，反馈线圈(12)通过互感在SQUID(4)中形成反馈磁通；调整偏置调整电位器(7)，观测前置放大器(5)的输出，当磁通调制信号最大时，停止调整，记录前置放大器输出，并根据该输出波形推算获得SQUID工作在最佳工作点时，流过三端变压器原边(1)的波形；

(b)合成波形调整

保持偏置调整电位器不变，闭合开关S1，断开开关S2，采用双通道示波器同时监测补偿信号发生器(11)输出波形与前置放大器(5)输出，此时，反馈线圈(12)中不加入信号；调整补偿信号发生器(11)输出信号波形使之与步骤(a)已测三端变压器原边(1)的波形一致；逐渐调整补偿信号发生器输出信号的幅度，当前置放大器(5)输出波形经过计算回推后与补偿信号发生器波形形状和幅度一致时，合成波形调整结束；

(c)波形补偿

闭合开关S1和S2，采用示波器监测前置放大器(5)的输出，并持续调整补偿调整电位器(8)；当前置放大器(5)输出分量偏置反转频率分量最小时，波形补偿调整结束，此时，交流偏置电流通过变压器中的一个原边(1)引入到前置放大器(5)输入端的分量被完全补偿；

(d)高频微调

保持前一步电路参数不变，将方波信号发生器和补偿信号发生器频率调整到实际工作频率，观测输出波形并对电路各参数进行微调，当前置放大器(5)输出分量偏置反转频率分量最小时，调整结束，随后连接磁通锁定环电路，磁通锁定环电路进行SQUID磁通锁定读出。

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