CN104345194A - 一种超导量子干涉器件接入保护电路 - Google Patents

一种超导量子干涉器件接入保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超导量子干涉器件接入保护电路，包括：超导量子干涉器件；前置放大器，负相输入端与所述超导量子干涉器件相连，读取并放大处于恒压偏置模式下的所述超导量子干涉器件的电流信号；反馈电阻，一端与所述前置放大器的输出端相连，另一端与所述前置放大器的负向输入端相连，将所述前置放大器的输出电压反馈加载到所述超导量子干涉器件上；电压钳位电路，与所述前置放大器的输出端相连，使所述前置放大器的输出电压通过所述反馈电阻加载到所述超导量子干涉器件上的电压钳制在一定范围内。本发明使得反馈电压限制在一个固定电压，避免出现过电压脉冲过大的现象，从而避免了造成超导量子干涉器件的损坏。

Description

一种超导量子干涉器件接入保护电路
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及超导量子干涉器件作为传感器的技术领域，具体为一种超导量子干涉器件接入保护电路。
背景技术
超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）是极其灵敏的磁传感器，由超导回路和约瑟夫森结构成的器件。超导量子干涉器件是超导电子学件的重要基元，其最大超导电流随回路所包围的磁通作周期性变化，周期为磁通量子,Wb。这种现象的物理本质是超导体系的波函数的干涉效应。因此它直接表现了这种宏观体系的量子特性。在外加直流偏置条件下，其输出电压随外磁场周期性变化。这个特性使之可以被制成最灵敏的磁强计。其单位带宽分辨率可达10-15Tesla(相当于地磁场的几百亿分之一)。它可以广泛应用于生物磁场，地球物理，无损探伤和极低场磁共振成像系统中。射频SQUID由超导回路中插入一个约瑟夫森结构成，通常在射频或微波偏置下使用，具有与前者类似的特性与用途。
超导量子干涉器件在输入一定偏置电流情况下，就具备了磁通电压转换特性，即超导量子干涉器件会产生随着检测磁通发生变化的电压。测量该电压就可以实现磁通电压的转换，实现磁场探测。
超导量子干涉器件是由约瑟夫森结构成，基于约瑟夫森效应的磁通电压变换器件。约瑟夫森结由超导-绝缘层-超导三层结构构成的结，约瑟夫森结是非常敏感和脆弱的，可承受的电流非常微弱，通常小于100uA，因此如果有大电流通过超导量子干涉器件，可能造成约瑟夫森结损耗，而导致超导量子干涉器件失效。而超导量子干涉器件读出电路都是常规的半导体器件，器件的输出电流和电压远高于约瑟夫森结，因此必须考虑保护电路，来应对异常情况。
超导量子干涉器件可工作在电压偏置和电流偏置两种模式下实现信号放大，其中电压偏置放大电路采用运算放大器，将传感器接在放大器的负端，通过反馈电阻给超导量子干涉器件加载偏置电流，直到超导量子干涉器件两端电压与放大器正端设定的电压相等。由于电压偏置采用反馈的方式维持超导量子干涉器件电压恒定，因此在电路上电瞬间，反馈还没有稳定工作的情况下，可能由于上电不稳定，在超导量子干涉器件上加载过大电压或电流，造成器件损坏。
超导器件由于制备工艺成本高，成品率低，因此单个超导量子干涉器件的成本高，低温超导量子干涉器件单价在几千元左右，而高温超导量子干涉器件则需要几万元，因此超导量子干涉器件是非常昂贵的，上电过程或电路故障引起器失效将造成很大的经济损失。
由上可见，需要开发一种保护电路去保护超导量子干涉器件，防止过压对超导量子干涉器件的损坏。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导量子干涉器件接入保护电路，用于解决现有技术中在电压偏置模式下由于电压不稳定容易出现过压或过流现象从而导致超导量子干涉器件损坏的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉器件接入保护电路，包括：超导量子干涉器件；前置放大器，负相输入端与所述超导量子干涉器件相连，读取并放大处于恒压偏置模式下的所述超导量子干涉器件的电流信号；反馈电阻，一端与所述前置放大器的输出端相连，另一端与所述前置放大器的负向输入端相连，将所述前置放大器的输出电压反馈加载到所述超导量子干涉器件上；电压钳位电路，与所述前置放大器的输出端相连，使所述前置放大器的输出电压通过所述反馈电阻加载到所述超导量子干涉器件上的电压钳制在一定范围内。
作为本发明的一种优选方案，所述电压钳位电路包括并联反向连接的第一二极管和第二二极管。
作为本发明的一种优选方案，所述电压钳位电路一端与所述前置放大器的输出端相连，另一端接地。
作为本发明的一种优选方案，所述第一二极管和所述第二二极管同为硅二极管或同为锗二极管。
作为本发明的一种优选方案，所述反馈电阻大于等于所述电压钳位电路钳制的钳制电压与超导量子干涉器件允许加载的最大电流的比值。
作为本发明的一种优选方案，所述钳制电压为0.7V或0.3V。
作为本发明的一种优选方案，还包括一个连接在所述前置放大器输出端的限流电阻。
作为本发明的一种优选方案，所述前置放大器的正向输入端连接电压源。
如上所述，本发明的一种超导量子干涉器件接入保护电路，具有以下有益效果：
1、本发明通过在前置放大器的输出端并联一个电压钳位电路，使得反馈电压限制在一个固定电压，避免出现过电压脉冲过大的现象，从而避免了电路故障或上电瞬间对超导量子干涉器件造成损坏。
2、本发明电路简单，同时该电路不影响超导量子干涉器件信号的检测和放大。
附图说明
图1显示为本发明的一种超导量子干涉器件接入保护电路的整体结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
超导量子干涉器件可工作在电压偏置和电流偏置两种模式下实现信号放大，其中电压偏置放大电路采用运算放大器，将传感器接在放大器的负端，通过反馈电阻给超导量子干涉器件加载偏置电流，直到超导量子干涉器件两端电压与放大器正端设定的电压相等。由于电压偏置采用反馈的方式维持超导量子干涉器件电压恒定，因此在电路上电瞬间，反馈还没有稳定工作的情况下，可能由于上电不稳定，在超导量子干涉器件上加载过大电压或电流，造成器件损坏。
超导器件由于制备工艺成本高，成品率低，因此单个超导量子干涉器件的成本高，低温超导量子干涉器件单价在几千元左右，而高温超导量子干涉器件则需要几万元，因此超导量子干涉器件是非常昂贵的，上电过程或电路故障引起器失效将造成很大的经济损失。
有鉴于此，本发明提供一种超导量子干涉器件接入保护电路，用于解决现有技术中在电压偏置模式下由于电压不稳定容易出现过压或过流现象从而导致超导量子干涉器件损坏的问题。以下将详细阐述本发明的一种超导量子干涉器件接入保护电路的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种超导量子干涉器件接入保护电路。
请参阅图1，显示为本发明一种超导量子干涉器件接入保护电路的结构示意图。如图1所示，本发明中的超导量子干涉器件接入保护电路具体是超导量子干涉器件处于电压偏置模式下连接电路示意图，所述接入保护电路具体包括：超导量子干涉器件S1、前置放大器U1、反馈电阻R1、电压钳位电路和限流电阻R2。
以下将详细说明本发明中的上述各部件。
所述超导量子干涉器件S1接入所述前置放大器U1的负向输入端，这样，所述超导量子干涉器件S1便处于恒压偏置模式下。本发明也正是想保护所述超导量子干涉器件S1处于恒压偏置模式下时，在电路上电瞬间，反馈还没有稳定工作的情况下，可能由于上电不稳定，在超导量子干涉器件S1上加载过大电压或电流，造成器件损坏的问题。
在恒压偏置模式下，前置放大器U1输出端通过反馈电阻R1，将电流反馈到所述超导量子干涉器件S1中，维持所述超导量子干涉器件S1两端电压的稳定，且所述超导量子干涉器件S1的电压值可由另外的电压调节电路进行调节。
所述前置放大器U1的负相输入端与所述超导量子干涉器件S1相连，读取并放大处于恒压偏置模式下的所述超导量子干涉器件S1的电流信号。
所述前置放大器U1采用单运算放大器实现，根据超导量子干涉器件S1特点，选用噪声阻抗小的低噪声放大器如来自Analog Devices的AD797放大器。所述前置放大器U1的输出端与负向输入端之间连有反馈电阻R1；所述前置放大器U1的正向输入端连接电压源Vb。
所述反馈电阻R1一端与所述前置放大器U1的输出端相连，另一端与所述前置放大器U1的负向输入端相连，将所述前置放大器U1的输出电压反馈加载到所述超导量子干涉器件S1上。
所述前置放大器U1的输出端通过反馈电阻R1连接到所述前置放大器U1的负相输入端，反馈电阻R1确定了反馈增益，在超导量子干涉器件S11恒流偏置模式下，反馈电阻R1确定了电压放大倍数，在恒压偏置模式下，反馈电阻R1作为跨导，实现电流转电压放大，反馈电阻R1取值通常为100欧姆到1M欧姆，具体根据放大倍数的需要来定。
所述电压钳位电路与所述前置放大器U1的输出端相连，所述电压钳位电路使所述前置放大器U1的输出电压通过所述反馈电阻R1加载到所述超导量子干涉器件S1上的电压钳制在一定范围内。
在本发明中，所述电压钳位电路一端与所述前置放大器U1的输出端相连，另一端接地。
具体地，在本实施例中，所述电压钳位电路包括个并联反向的第一二极管和第二二极管。在所述电压钳位电路中，一次只能有一个二极管导通，而另一个处于截止状态，例如第一二极管导通，第二二极管截止，若第二二极管反向截止，第一二极管正向导通，此时输出电压V0被钳位在第一二极管的导通电压上，所以此时输出电压V0为第一二极管的导通压降。由此可见，由于采用两个并联反向的二极管，所述前置放大器U1的输出的正反向压降就会被钳制在二极管正向导通压降以下，从而起到保护电路的目的。
在这里，所述第一二极管和所述第二二极管同为硅二极管或同为锗二极管。根据硅二极管或锗二极管的特性，采用硅二级管时，钳制后的电压最大为0.7V，若采用锗二级管，则钳制后的电压最大为0.3V。
反馈电阻R1根据钳制电压值和超导量子干涉器件S1能加载的最大安全电流值来计算，具体地，所述反馈电阻R1大于等于所述电压钳位电路钳制的钳制电压与超导量子干涉器件S1允许加载的最大电流的比值。即其中R1为反馈电阻，Vmax为钳制电压，Imax为超导量子干涉器件S1允许加载的最大电流。
其中，Vmax为二极管的导通电压，若所述第一二极管和所述第二二极管采用硅二级管，Vmax为0.7V，若所述第一二极管和所述第二二极管采用锗二级管，则Vmax为0.3V。Imax是超导量子干涉器件S1的最大安全电流，通常小于100uA。
因此对于限压0.7V的情况，反馈电阻R1取值大于7kΩ，对于限压0.3V的情况，反馈电阻R1取值则大于3kΩ即可。
由上可见，所述钳制电压一般为0.7V或0.3V。在所述前置放大器U1的输出端并联了反向的第一二级管和第二二极管，实现电压钳位功能，使得输出电压V0最大不会超过第一二级管和第二二极管的导通电压0.7V左右。因此输出电压V0通过反馈电阻R1加载到超导量子干涉器件S1两端的最大电流就被钳制在一定范围。所以本发明通过在前置放大器U1的输出端并联一个电压钳位电路，使得反馈电压限制在一个固定电压，避免出现过电压脉冲过大的现象，从而避免了电路故障或上电瞬间对超导量子干涉器件S1造成损坏。
此外，在本实施例中，还包括一个连接在所述前置放大器U1输出端的限流电阻R2。所述限流电阻R2串接在前置放大器U1的输出端和所述电压钳位电路之间，用于防止前置放大器U1的输出过流。
综上所述，本发明的一种超导量子干涉器件接入保护电路，具有以下有益效果：
1、本发明通过在前置放大器的输出端并联一个电压钳位电路，使得反馈电压限制在一个固定电压，避免出现过电压脉冲过大的现象，从而避免了电路故障或上电瞬间对超导量子干涉器件造成损坏。
2、本发明电路简单，同时该电路不影响超导量子干涉器件信号的检测和放大。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，包括：
超导量子干涉器件；
前置放大器，负相输入端与所述超导量子干涉器件相连，读取并放大处于恒压偏置模式下的所述超导量子干涉器件的电流信号；
反馈电阻，一端与所述前置放大器的输出端相连，另一端与所述前置放大器的负向输入端相连，将所述前置放大器的输出电压反馈加载到所述超导量子干涉器件上；
电压钳位电路，与所述前置放大器的输出端相连，使所述前置放大器的输出电压通过所述反馈电阻加载到所述超导量子干涉器件上的电压钳制在一定范围内。
2.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，所述电压钳位电路包括并联反向连接的第一二极管和第二二极管。
3.根据权利要求1或2所述的超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，所述电压钳位电路一端与所述前置放大器的输出端相连，另一端接地。
4.根据权利要求2所述的超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，所述第一二极管和所述第二二极管同为硅二极管或同为锗二极管。
5.根据权利要求2所述的超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，所述反馈电阻大于等于所述电压钳位电路钳制的钳制电压与超导量子干涉器件允许加载的最大电流的比值。
6.根据权利要求5所述的超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，所述钳制电压为0.7V或0.3V。
7.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，还包括一个连接在所述前置放大器输出端的限流电阻。
8.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件接入保护电路，其特征在于，所述前置放大器的正向输入端连接电压源。
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