CN106556805B - Squid信号放大模块、放大方法及磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器，包括：藉由第n级SQUID电路对被测磁通输入信号进行检测，并输出相应的电流或电压信号；藉由依次串联于反相放大反馈电路与第n级SQUID电路之间的各级SQUID转换电路，将所述电流或电压信号在传输特性单调区间内逐级进行电流或电压到电流或电压的转换，得到与被测磁通信号相对应的响应电压；再藉由反相放大反馈电路输出反相放大电压，并提供负反馈电流。本发明的噪声水平达到SQUID极限本征噪声水平，既可以用于构建极高灵敏度和极低噪声性能的磁传感器，又可以用于SQUID本征噪声测试，开展SQUID的极限噪声性能研究，为极限探测应用和科研提供了有力的工具，具有重要的应用和研究价值。

Description

SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器。

背景技术

基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的磁传感器是目前已知的噪声水平最低、最灵敏的磁探测器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10^-15特斯拉)量级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。

SQUID器件是SQUID磁传感器中最核心的磁敏感元件。通常采用直流SQUID器件(以下所述的SQUID都指直流SQUID器件)，该器件是由两个超导约瑟夫森结并联构成的一个超导环，在约瑟夫森结的两端引出端子，加载一定的偏置电流，SQUID两端的电压将具有随其感应磁场发生变化的特性，即SQUID感应外界磁通，输出响应的电压，输入磁通和电压构成对应的传输特性，典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线如图1所示，该磁通-电压传输特性是周期非线性的，周期为一个磁通量子Φ₀(2.07×10^-15韦伯)。

SQUID器件的磁通-电压传输特性是周期非线性的，不能通过直接检测其电压输出确定感应磁通的大小，因此不能直接用作磁传感器，这种非线性的磁通-电压转换元件需要构建如图2所示的磁通锁定环电路来实现磁通-电压的线性转换的磁传感器。其工作原理如下：选择SQUID磁通-电压传输特性其中一个工作点，在工作点处，前置放大器输出电压为零，积分器没有积分，所有输出稳定，达到负反馈的稳定状态；当外部被测磁通Φ发生变化，SQUID感应到偏离工作点的磁通ΔΦ，将根据磁通-电压传输特性曲线输出电压ΔV，该电压经前置放大器进行信号放大，并送入积分器，积分器根据输入电压大小积分调制输电电压，该电压驱动反馈电阻产生反馈电流I_f，反馈电流通过反馈电感I_f与SQUID的互感M_f产生抵消磁通，抵消外部输入的磁通，直到完全抵消，使得输入积分器的电压归零，整个负反馈环路恢复平衡，SQUID状态回到工作点。从磁通-电压锁定环路的负反馈工作过程可知，输入的被测磁通大小与抵消磁通始终相同，因此被测磁通大小产生抵消磁通的积分器输出电压成比例关系，只要检测积分器输出电压，即可获知外部被测磁通的大小，SQUID磁传感器就是利用该原理实现磁通-电压的线性转换。

SQUID器件和传感器电路结合实现高性能磁传感器，要满足两个要求，一是提供一个如图1所示的具有最大正斜率或负斜率的工作点零点，作为整个负反馈电路稳定工作零点。另一个则是由于SQUID信号微弱，需要接入放大器进行放大，因此SQUID的噪声要和接入的前置放大器噪声相匹配。

SQUID磁传感器电路存在问题是SQUID器件与前置放大器噪声不匹配。SQUID信号比较微弱，感应磁场的电压响应最大峰峰值只有几十微伏，因此首先要进行放大。同时SQUID在工作点处最大的磁通-电压传输率(也就是灵敏度)是有限的，常规SQUID器件最大磁通-电压传输率在100μV/Φ₀，对应的放大器的电压噪声在1nV/√Hz以上，因此等效的输入磁通噪声大于10μΦ₀/√Hz，这比SQUID本征的噪声(通常在1μΦ₀/√Hz以下)大一个数量级以上，因此构成的磁传感器的噪声水平完全由放大器引起的，没有将SQUID低噪声的优势发挥出来。

要实现高性能的SQUID磁传感器，要将传感器电路的噪声降到SQUID的本征噪声以下，传感器的噪声就达到了SQUID器件本征的低噪声水平，才能充分发挥SQUID器件极限低噪声的性能。

要降低SQUID传感器的噪声，就要提高SQUID器件或模块的磁通-电压传输率，提高了磁通-电压传输率，就可以使接入的放大器的等效磁通噪声降低，降到SQUID的本征噪声以下，则传感器的噪声这由SQUID的本征噪声主导，也就是传感器的噪声性能达到了极限的SQUID本征噪声水平。

目前为了提高SQUID磁通-电压传输率采用的设计方案有以下三种：

方法一：附加正反馈电路方案。

如图3所示，该方案在SQUID两端并联一个电感L_A和一个电阻R_A。如图4所示，增加这个电路后，SQUID原先的磁通-电压转换特性就变得不对称，其中变陡峭一边的工作点磁通-电压传输率得到了提升。该方案由于传输特性的非线性，边界条件敏感，因此实际实现的传输特性提升只有3倍左右，噪声抑制能力不足，仍不足以将放大器的等效磁通噪声压制到SQUID的本征噪声水平。同时器件传输特性发生了畸变，工作点调节比较敏感，容易发生振荡，因此使用效果不佳。

方法二：两个SQUID级联放大方案。

如图5所示，该方案中SQUID1检测外部被测磁通，然后转化为电信号后通过电感耦合到SQUID2，再通过前置放大器进行后续的信号处理。SQUID1和SQUID2都具有相同的周期非线性传输特性，如图6所示。因此，两个SQUID级联后的磁通-电压传输特性曲线如图7所示。传输特性在一个周期内同时存在多个特性不同的工作零点，其中只有一个工作零点具有最佳的磁通-电压传输率。SQUID磁通-电压传输特性曲线是周期重复的，一个周期内只有一个可锁定的工作点，才能保证SQUID传感器性能的一致性。如果在一个周期内有不同的工作零点，且不同零点处磁通-电压传输率不同，那么SQUID传感器锁定后性能将因锁定点不同，造成传感器性能不一致，在实际应用中，由于工作点难以选择，因此无法使传感器达到最佳性能。由于传输特性畸变，工作点多值，导致该方案无法实用。

方法三：基于欠反馈的双级SQUID电路方案。

如图8所示，申请号：201510224015.0，《双级超导量子干涉其磁通-电压转换装置、方法和应用》，第一级采用SQD1驱动耦合到第二级的SQD2线圈，实现磁通放大，在磁通放大的同时，应用电流正反馈原理，将传输特性变得不对称，综合两种功能实现磁通-电压传输率的放大，同时SQD2与比例放大器构成一个具有磁通比例反馈的SQUID信号放大模块。两部分电路级联，可实现具有高磁通-电压传输率、低噪声的SQUID磁通-电压转换装置。该方案解决了传统双级SQUID电路周期内工作点多值问题，将双级SQUID信号放大模块实用化。该方案使用了三个参数完全不同的线圈L_s、L₁及L_f，同一个SQUID不同的线圈耦合，关联的参数多，设计复杂度较高；线圈之间存在互感和分布参数等因素会影响器件效果。因此，该方案线圈多，对器件设计要求高，难度大；此外，该方案采用了两个SQUID器件级联，实现了前置放大器10倍左右的噪声抑制性能，但没有提供更多级SQUID级联的方式和方法，不能满足更高倍数噪声抑制的需求。

SQUID独特的极低噪声特性，可实现极高的灵敏度，SQUID由于采用超导材料制成，基于超导量子干涉效应工作，工作在低温环境下，自身噪声小，尤其是低温超导SQUID，工作在4.2K的极低温下，具有优越的噪声性能，特别是低频噪声性能，目前没有其磁敏感元件能与之匹敌。常温工作的放大器，其白噪声水平比SQUID的白噪声水平大10倍以上，而放大器的低频1/f噪声更是比SQUID高几十到上百倍。因此现有的SQUID放大方案，最多能将放大器的白噪声抑制到较低水平，而低频噪声仍是不能有效抑制到SQUID的本征噪声相当的水平。传感器的低频噪声仍由所用放大器的低频噪声主导。

SQUID传感器在低频段的应用是其主要优势(主流的心磁、脑磁、地球物理探测都是低频磁场的检测)。因此进一步抑制前置放大器的噪声，将SQUID传感器噪声性能尤其是低频噪声提高到极致，具有重要意义，对进一步抑制前置放大器的技术手段有迫切的需求。

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SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器，用于解决现有技术中SQUID磁通-电压转换过程中传输率低、工作点多值、实用性差等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID信号放大模块，所述SQUID信号放大模块至少包括：

第n级SQUID电路、(n-1)级SQUID转换电路以及反相放大反馈电路，n为不小于1的整数；

所述第n级SQUID电路用于检测被测磁通输入信号，并将所述被测磁通输入信号转化为相应的第n级传输电流；

各级SQUID转换电路依次串联于所述反相放大反馈电路的输入端与所述第n级SQUID电路的输出端之间，从所述反相放大反馈电路的输入端开始依次定义为第1～第(n-1)级SQUID转换电路，第(n-1)级SQUID转换电路接收所述第n级SQUID电路输出的所述第n级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第(n-1)级负反馈电流，将接收到的电流转换为第(n-1)级传输电流，并输入到第(n-2)级SQUID转换电路中进行下一级电流转换，逐级获得第(n-2)～第2级传输电流，所述第1级SQUID转换电路接收所述第2级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第1级负反馈电流、输出与所述被测磁通信号相对应的响应电压；

所述反相放大反馈电路接收来自所述第1级SQUID电路的响应电压，输出所述响应电压的反相放大电压，并向各SQUID耦合线圈电路分别输出各级负反馈电流；

其中，各级SQUID转换电路包括串联的SQUID耦合线圈电路和SQUID电路，所述SQUID耦合线圈电路将接收到的电流信号转化为磁通信号，所述SQUID电路将所述SQUID耦合线圈电路输出的磁通信号转化电流或电压信号，作为后级电路的输入信号。

优选地，所述SQUID电路包括偏置电流源、SQUID器件以及传输电阻；其中，所述偏置电流源和所述SQUID器件串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述SQUID器件的另一端接地；所述传输电阻的一端连接于所述偏置电流源和所述SQUID器件之间，另一端输出传输电流。

优选地，所述SQUID电路包括偏置电流源、SQUID器件以及传输电阻；其中，所述偏置电流源和所述传输电阻串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述传输电阻的另一端接地；所述SQUID器件的一端连接于所述偏置电流源和所述传输电阻之间，另一端输出传输电流。

更优选地，所述SQUID电路还包括正反馈电阻，所述正反馈电阻的一端连接于所述偏置电流源的输出端，另一端输出正反馈电流。

更优选地，所述传输电阻阻值不小于所述正反馈电阻阻值的6倍。

优选地，所述SQUID耦合线圈电路包括偏置电流源以及耦合线圈，其中，所述偏置电流源和所述耦合线圈串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述耦合线圈的另一端接地，所述偏置电流源和所述耦合线圈之间接收各电流信号。

优选地，所述反相放大反馈电路包括低噪声放大器、反相放大器；其中，所述低噪声放大器的正相输入端连接所述响应电压、反相输入端经过第一电阻接地、输出端经过第二电阻连接至所述低噪声放大器的反相输入端；所述低噪声放大器的输出端经过第三电阻连接至所述反相放大器的反相输入端，所述反相放大器的正相输入端接地、输出端经过第四电阻连接至所述反相放大器的反相输入端；所述反相放大器的输出端输出反相放大电压，并通过若干反馈电阻分别向各SQUID耦合线圈电路输出负反馈电流。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述SQUID信号放大模块的信号放大方法，所述SQUID信号放大方法至少包括：

藉由SQUID电路对被测磁通输入信号进行检测，并输出相应的电流或电压信号，将所述电流或电压信号在传输特性单调区间内逐级进行电流或电压到电流或电压的转换，最终得到与所述被测磁通信号相对应的响应电压，所述被测磁通输入信号与所述响应电压具有工作点唯一的磁通-电压传输特性曲线。

优选地，所述传输特性单调区间为工作点附近磁通的范围内。

更优选地，通过调节各级SQUID转换电路接收的电流信号使各级SQUID转换电路中的SQUID电路工作在工作点附近磁通范围内，其中，第(j-1)级SQUID转换电路中的SQUID电路工作在工作点附近磁通范围内满足的条件如下：

为第j级传输电流的峰峰值，为第(j-1)级负反馈电流的峰峰值，为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID电路输出到SQUID耦合线圈电路的正反馈电流的峰峰值，M_j-1为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID耦合线圈电路与SQUID电路的互感。

优选地，通过设定所述反相放大反馈电路的增益来提高所述SQUID信号放大模块的灵敏度，所述SQUID信号放大模块的灵敏度为其中，k为所述反相放大反馈电路的增益，V₁为与所述响应电压，Φ为磁通量。

优选地，通过设定级联的SQUID电路的数量来提高噪声抑制倍数，所述SQUID信号放大模块的噪声抑制倍数为G_n-1·G_n-2····G₁，其中，第(j-1)级噪声抑制倍数为：

G_j-1为第j级和第(j-1)级SQUID转换电路构成的一组增益，i_j为第j级传输电流，i_Pj-1为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID电路输出到SQUID耦合线圈电路的正反馈电流，M_j-1为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID耦合线圈电路与SQUID电路的互感，Φ为磁通量。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID磁传感器，所述SQUID磁传感器至少包括：上述SQUID信号放大模块，连接于所述SQUID信号放大模块输出端的积分器，连接于所述积分器输出端的反馈电阻，以及连接于所述反馈电阻输出端的反馈线圈，构成磁通锁定环路，对被测磁通输入信号进行检测。

如上所述，本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器，具有以下有益效果：

1、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器通过设定所用放大器的放大倍数调节灵敏度，以满足各种电路应用的需要，达到与后端电路的噪声匹配，同时保持磁通-电压传输特性同普通SQUID一致，避免级联产生的传输特性畸变问题。

2、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器通过SQUID级联，可以数量级(每增加一级，噪声降低10倍)的效果抑制模块中放大器的等效磁通噪声，使得整个模块完全达到SQUID本征噪声，从而发挥SQUID元件极致噪声性能。因此本发明方案的多级SQUID信号放大模块既实现了高灵敏度，又达到了低噪声性能，同时在应用上同普通SQUID器件相同，从而解决了长期以来多级SQUID级联难以实用的问题。

3、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器具有很好的扩展性，可根据放大器的噪声水平，任意扩展SQUID电路的级数，达到SQUID本征噪声的极致。

4、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器适用于工作在77K液氮温区的高温超导DC SQUID器件，也适用于工作在4.2K液氦温区的低温DC SQUID器件。

附图说明

图1显示为现有技术中的典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线示意图。

图2显示为现有技术中的采用磁通锁定环电路来实现磁通-电压的线性转换的磁传感器示意图。

图3～图4显示为现有技术中的附加正反馈电路的结构和传输特性曲线示意图。

图5～图7显示为现有技术中的两个SQUID级联的结构、单个SQUID器件的传输特性曲线及两个SQUID级联的传输特性曲线示意图。

图8～图9显示为现有技术中的基于欠反馈的双级SQUID电路的结构和原理示意图。

图10显示为本发明的SQUID信号放大模块电路框图。

图11显示为本发明的第(n-1)级～第1级SQUID耦合线圈电路结构示意图。

图12显示为本发明的第n级SQUID电路的一种实现方式。

图13显示为本发明的第n级SQUID电路的另一种实现方式。

图14显示为本发明的第(n-1)～第2级SQUID电路的一种实现方式。

图15显示为本发明的第(n-1)～第2级SQUID电路的另一种实现方式。

图16显示为本发明的第1级SQUID电路的结构示意图。

图17显示为本发明的反相放大反馈电路的结构示意图。

图18显示为本发明的2级SQUID信号放大模块的具体结构示意图。

图19显示为本发明的n级SQUID信号放大模块的具体结构示意图。

图20显示为本发明的磁通-电流特性曲线示意图。

图21显示为本发明的多级SQUID信号放大模块的工作原理示意图。

图22显示为本发明的SQUID信号放大模块的磁通-电压特性曲线示意图。

图23显示为本发明的SQUID磁传感器结构示意图。

元件标号说明

1 SQUID信号放大模块

11 第n级SQUID电路

12 SQUID转换电路

13 反相放大反馈电路

2 积分器

3 反馈电阻

4 反馈线圈

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图10～图23。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明将解决双级及多级SQUID磁传感器实现的技术难题，提出一种任意多个SQUID器件级联构成高灵敏度极低噪声的信号放大模块设计方案。该模块可实现电压高倍放大输出，提高灵敏度，同时通过多级SQUID级联，将前置放大器的噪声抑制到SQUID本征噪声以下，最终该模块实现的磁通-电压传输特性同普通SQUID器件完全相似，磁通-电压传输特性周期内工作点唯一，完全解决了多级SQUID级联模块实用化的问题。使得双级及多级SQUID放大模块在提升磁通-电压传输率的同时，传输特性同普通SQUID器件一样，工作点周期单值，避免出现多值问题，同普通SQUID磁传感器一样操作简单。通过任意多个SQUID的级联，可以将放大器噪声降至应用所需的任意水平。真正形成实用化高性能的SQUID磁传感器。对于充分发挥SQUID本征性能，进行极低噪声和极高灵敏度等极限磁场探测提供了有效的工具，具有重要的价值。

要提模块的灵敏度，需要将SQUID的信号接入与其匹配的低噪声前置放大器进行信号放大，通过高倍数放大，提升灵敏度，但是由于目前SQUID匹配的低噪声放大器的输入端电压噪声远高于SQUID的本征噪声(至少10以上)，如何抑制前置放大器的噪声成为一个关键问题。传统SQUID级联方案其传输特性畸变，造成工作零点难以确定等问题。

本发明方案实现的模块，既可以通过放大倍数设置，任意提高所需的灵敏度，又可以通过任意级SQUID的级联，以每增加一级SQUID，放大器等效磁通噪声降低10倍以上的效果，不断降低放大器引入的噪声，使得整个模块达到SQUID本征的极限噪声水平。并且，该模块实现的磁通-电压传输特性，同普通SQUID完全相同相似，即以一个磁通量子为周期，且周期内只有唯一最佳工作零点，用以配合后续传感器电路实现负反馈工作，达到同普通SQUID传感器一样可操作性，解决实用化问题。

实施例一

如图10所示，本发明提供一种SQUID信号放大模块1，所述SQUID信号放大模块1包括：

第n级SQUID电路11、(n-1)级SQUID转换电路12以及反相放大反馈电路13，其中n为不小于1的整数。

如图10所示，所述第n级SQUID电路11作为检测电路，用于检测被测磁通输入信号Φ，并将所述被测磁通输入信号Φ转化为相应的传输电流，在本实施例中，所述第n级SQUID电路输出的传输电流定义为第n级传输电流i_n。

如图10所示，各级SQUID转换电路12依次串联于所述反相放大反馈电路13的输入端与所述第n级SQUID电路11的输出端之间，各级SQUID转换电路12从所述反相放大反馈电路13的输入端开始依次定义为第1级SQUID转换电路、第2级SQUID转换电路……第(n-1)级SQUID转换电路，第(n-1)级SQUID转换电路接收所述第n级SQUID电路11输出的所述第n级传输电流i_n和所述反相放大反馈电路13输出的第(n-1)级负反馈电流i_Fn-1，将接收到的电流转换为第(n-1)级传输电流i_n-1，并输入到第(n-2)级SQUID转换电路中进行下一级电流转换，逐级获得第(n-2)～第2级传输电流i_n-2～i₂，接收所述第2级传输电流i₂和所述反相放大反馈电路13输出的第1级负反馈电流i_F1、输出与所述被测磁通信号Φ相对应的响应电压V₁。

具体地，如图10所示，各级SQUID转换电路12包括串联的SQUID耦合线圈电路和SQUID电路，各SQUID耦合线圈电路和SQUID电路对应于其所在SQUID转换电路，分别命名为第1～第(n-1)级SQUID耦合线圈电路和第1～第(n-1)级SQUID电路。所述SQUID耦合线圈电路接收前级电路输出的传输电流、同级SQUID电路输出的正反馈电流以及所述反相放大反馈电路输出的负反馈电流，其中，同级SQUID电路输出的正反馈电流为非必要的电流信号，所述SQUID耦合线圈电路将电流信号转化为磁通信号；所述SQUID电路将所述SQUID耦合线圈电路输出的磁通信号转化电流或电压信号，作为后级电路的输入信号。

更具体地，所述第(n-1)～第1级SQUID耦合线圈电路包括：偏置电流源以及耦合线圈。如图11所示，以第j级SQUID耦合线圈电路为例，j＝1,2……n-1，其中，偏置电流源I_cj和耦合线圈L_j串联，所述偏置电流源I_cj的另一端连接电源，所述耦合线圈L_j的另一端接地，所述偏置电流源I_cj和所述耦合线圈L_j之间接收第j级正反馈电流i_Pj、第j级负反馈电流i_Fj以及第(j+1)级传输电流i_j+1。所述耦合线圈L_j与对应SQUID的互感记为M_j，输出磁通记为Φ_j，所述耦合线圈L_j采用零电阻超导耦合线圈或电阻极低的铜线等低阻导线绕制而成(只要其阻抗相比SQUID器件和其他电阻可以忽略不计)。如果使用超导线，可应用SQUID微加工工艺，采用超导材料与SQUID集成。所述偏置电流源I_cj在所述耦合线圈L_j上产生直流磁通，使得抵消输入信号第j级正反馈电流i_Pj和第j级负反馈电流i_Fj产生的直流磁通分量，使得被测信号量在对应SQUID的工作零点上得到最大的响应。

更具体地，如图12所示为所述第n级SQUID电路的一种实现方式，其中，偏置电流源I_bn和SQUID器件SQ_n串联，所述偏置电流源I_bn的另一端连接电源，所述SQUID器件SQ_n的另一端接地；传输电阻R_In的一端连接于所述偏置电流源I_bn和所述SQUID器件SQ_n之间，另一端输出第n级传输电流i_n。如图13所示为所述第n级SQUID电路的另一种实现方式，其中，偏置电流源I_bn和传输电阻R_In串联，所述偏置电流源I_bn的另一端连接电源，所述传输电阻R_In的另一端接地；SQUID器件SQ_n的一端连接于所述偏置电流源I_bn和所述传输电阻R_In之间，另一端输出第n级传输电流i_n。

更具体地，如图14所示为所述第(n-1)～第2级SQUID电路的一种实现方式，以第j级SQUID电路为例，j＝2,3……(n-1)，其中，偏置电流源I_bj和SQUID器件SQ_j串联，所述偏置电流源I_bj的另一端连接电源，所述SQUID器件SQ_j的另一端接地；传输电阻R_Ij的一端连接于所述偏置电流源I_bj和所述SQUID器件SQ_j之间，另一端输出第j级传输电流i_j；正反馈电阻R_Pj的一端接于所述偏置电流源I_bj和所述SQUID器件SQ_j之间，另一端输出第j级正反馈电流i_Pj。如图15所示为所述第(n-1)～第2级SQUID电路的另一种实现方式，以第j级SQUID电路为例，j＝2,3……(n-1)，其中，偏置电流源I_bj和传输电阻R_Ij串联，所述偏置电流源I_bj的另一端连接电源，所述传输电阻R_Ij的另一端接地；SQUID器件SQ_j的一端连接于所述偏置电流源I_bj和所述传输电阻R_Ij之间，另一端输出第j级传输电流i_j；正反馈电阻R_Pj的一端接于所述偏置电流源I_bj和所述传输电阻R_Ij之间，另一端输出第j级正反馈电流i_Pj。

更具体地，如图16所示为所述第1级SQUID电路包括偏置电流源I_b1、SQUID器件SQ₁以及正反馈电阻R_Pj；其中，偏置电流源I_b1和SQUID器件SQ₁串联，所述偏置电流源I_b1的另一端连接电源，所述SQUID器件SQ₁的另一端接地；正反馈电阻R_P1的一端接于所述偏置电流源I_bj和所述SQUID器件SQ₁之间，另一端输出第1级正反馈电流i_P1；所述偏置电流源I_bj和所述SQUID器件SQ₁之间输出所述响应电压V₁。

其中，各SQUID器件接收同级SQUID耦合线圈电路输出的磁通信号，各偏置电流源给各SQUID器件加偏置电流，使得所述SQUID器件能产生磁通-电压响应。各正反馈电阻产生电流注入同级SQUID耦合线圈电路的耦合线圈中，形成磁通正反馈。其中，R_pj<<R_Ij，j＝2,3……(n-1)，在本实施例中，所述传输电阻R_In-1是所述正反馈电阻R_Pn-1的6倍以上。

如图10所示，所述反相放大反馈电路13接收所述响应电压V₁，输出所述响应电压V₁的反相放大电压V_F，并向第1～第(n-1)级SQUID耦合线圈电路分别输出第1～第(n-1)级负反馈电流i_F1～i_Fn-1。所述反相放大反馈电路13的放大倍数是有限的，典型的就是一个放大倍数为k的反相比例放大器。

具体地，如图17所示，在本实施例中，所述反相放大反馈电路13采用同相的低噪声放大器OPA1和反相放大器OPA2级联构成。所述低噪声放大器OPA1的正相输入端连接所述响应电压V₁、反相输入端经过第一电阻R1接地、输出端经过第二电阻R2连接至所述低噪声放大器OPA1的反相输入端；所述低噪声放大器OPA1的输出端经过第三电阻R3连接至所述反相放大器OPA2的反相输入端，所述反相放大器OPA2的正相输入端接地、输出端经过第四电阻R4连接至所述反相放大器OPA2的反相输入端；所述反相放大器OPA2的输出端输出反相放大电压V_F，所述反相放大电压V_F驱动第1～第(n-1)反馈电阻R_F1～R_Fn-1，分别向各SQUID耦合线圈电路输出第1～第(n-1)级负反馈电流i_F1～i_Fn-1，形成磁通负反馈。在本实施例中，所述低噪声放大器OPA1为同相比例放大器，其增益所述反相放大器OPA2为反相比例放大器，其增益为-1，两级放大级联，就是增益为-k的反相比例放大。

实施例二

如图18所示为本发明的2级SQUID信号放大模块的具体电路结构，即n取值为2。如图18所示，包括：第2级SQUID电路A2，采用如图12所示的SQUID电路结构；第1级SQUID耦合线圈电路B1，采用如图11所示的SQUID耦合线圈电路结构；第1级SQUID电路A1，采用如图16所示的SQUID电路结构；以及反相放大器U1，输出反相放大电压V_F，并通过第1反馈电阻R_F1将反馈电流输出到所述第1级SQUID耦合线圈电路B1。各电路的连接关系与实施例一中所描述的一致，在此不一一赘述。

实施例三

如图19所示为本发明的n级SQUID信号放大模块的具体电路结构，本实施例中的n级SQUID信号放大模块与实施例一中的结构基本一致，不同之处在于，本实施例中的SQUID转换电路中不包括正反馈电流。如图19所示，包括：第n级SQUID电路An，采用如图12所示的SQUID电路结构；第(n-1)～第1级SQUID耦合线圈电路Bn-1～B1，采用如图11所示的SQUID耦合线圈电路结构，但不接收正反馈电流；第(n-1)～第2级SQUID电路An-1～A2，其结构与图14类似，但不包括其中的正反馈电阻R_Pj；第1级SQUID电路，采用如图16所示的SQUID电路结构；以及反相放大器U1，输出反相放大电压V_F，并通过第1～第(n-1)反馈电阻R_F1～R_Fn-1将反馈电流输出到各级SQUID耦合线圈电路。各电路的连接关系与实施例一中所描述的一致，在此不一一赘述，本实施例中的SQUID信号放大电路的工作原理与实施例一所述的SQUID信号放大电路一致，不同之处在于，正反馈电流取值均为零。

上述SQUID信号放大模块的工作原理如下：

藉由SQUID电路对被测磁通输入信号进行检测，并输出相应的电流或电压信号，将所述电流或电压信号在传输特性单调区间内逐级进行电流或电压到电流或电压的转换，最终得到与所述被测磁通信号相对应的响应电压，所述被测磁通输入信号与所述响应电压具有工作点唯一的磁通-电压传输特性曲线。

具体地，本发明方案中采用的第1～第n级SQUID电路中的SQUID器件都是传统的DCSQUID器件，当该SQUID加载一定的偏置工作电流，就具有如图1所示的周期非线性磁通-电压传输特性，即SQUID输出电压是其耦合磁通的周期非线性函数，V_j＝V_Φ(Φ)；j＝1,2,3...n。

第1级SQUID电路输出的响应电压V₁送入反相放大器U1，并通过反馈电阻产生负反馈电流i_Fj,因此i_Fj＝-g_Fj·V₁；j＝1,2,3...n-1。第j级SQUID电路输出的电压驱动直接产生正反馈电流i_Pj注入到与自身耦合第j级耦合线圈电路中，因此i_Pj＝g_Pj·V_j；j＝1,2,3...n-1。第j级SQUID电路输出的电压直接驱动产生注入第(j-1)级SQUID耦合线圈电路的传输电流i_j，因此i_j＝g_j·V_j；j＝2,3...n。以上三种电流和SQUID的电压成比例关系，因此，电流的磁通响应特性曲线与磁通-电压响应特性曲线相同，如图17所示，将传输特性曲线中电流响应最大电流幅度定义为I_pp，则反相放大反馈电路13产生的负反馈电流i_Fj；j＝1,2,3,...n-1的峰峰值定义为：SQUID电路输出的正相反馈电流i_Pj；j＝1,2,3,...n-1信号峰峰值定义为：SQUID电路向下一级SQUID耦合线圈电路输出的传输电流i_j；j＝2,3,...n信号峰峰值定义为：

如图20所示，磁通-电流响应曲线的工作点附近磁通变化范围为传输特性单调区，在该段传输特性中，磁通输入范围在0.5Φ₀，对应电流响应信号最大为峰峰值I_pp。

如图21所示，本发明的第n级SQUID作为检测SQUID，响应被测磁通输入信号Φ，其磁通-电流传输特性就是传统DC SQUID磁通-电流/电压传输特性。而第1～第(n-1)级的SQUID电路则工作在工作点附近磁通范围内，即以0.5Φ₀的范围内的单调递增的磁通-电流/电压传输特性工作。因此，如图22所示，多个SQUID级联后总的磁通-电压传输特性曲线就同第n级SQUID的磁通-电流传输特性相似的，不会出现传输特性畸变，周期内只有一个工作零点。

在本实施例中，所提到常规SQUID的传输特性都是经典的周期对称的，如图1所示，因此传输特性单调递增/递减区间都对应在0.5Φ₀内，且工作点选择在该单调传输特性的中间，因此对应描述为工作点附近范围内对应的传输特性或0.5Φ₀范围对应的单调传输特性。在SQUID的传输特性不对称的情况下，相应传输特性单调区间不一定正好是0.5Φ₀；在工作点不在单调传输特性正中心位置的情况下，相应传输特性单调区间也就不正好是工作点附近的范围。第1～第(n-1)级SQUID电路以单调递增或递减的传输特性响应对应的磁通，均可实现整个模块的传输特性与第n级SQUID电路的传输特性保持一致，不以本实施例为限。

在本实施例中，为了使第1～第(n-1)级SQUID电路工作在传输特性中工作点附近磁通范围内，就要求第1～第(n-1)级SQUID电路由其耦合线圈输入的磁通Φ_j；j＝1,2,3...n-1的变化要在工作点附近以内，即最大变化，ΔΦ_jpp<0.5Φ₀；j＝1,2,3...n-1。这就需要通过流入耦合线圈的三种电流i_j,i_Pj-1,i_Fj-1；j＝2,3,...n协同工作来完成。具体地，流入耦合线圈的三种电流要满足如下条件：

由第j级SQUID电路输出并流入第(j-1)级耦合线圈电路的传输电流i_j；j＝2,3,...n，应满足在流入第(j-1)级耦合线圈产生耦合到第(j-1)级SQUID电路的磁通量的峰峰值不大于2个磁通量子2Φ₀，即：

同时，反相放大反馈电路输出的第(j-1)级反馈电流i_Fj-1和第(j-1)级SQUID电路输出的i_Pj-1在共同流入第(j-1)级耦合线圈电路，产生耦合到第(j-1)级SQUID电路上的磁通量的峰峰值不小于1.5个磁通量子1.5Φ₀，即：j＝2,3,...n-1。

三路电流在第(j-1)级耦合线圈产生的磁通Φ_j-1＝(i_j-1+i_Pj-1-i_Fj-1)·M₁；j＝2,3...n-1，满足以上两个条件，就能确保输入到第(j-1)级SQUID中的磁通Φ_j-1的峰峰值不大于0.5个磁通量子0.5Φ₀(传输特性单调区间)，即：从而保证除第n级SQUID电路外，其他所有各级SQUID转换电路中的SQUID工作在工作点附近磁通范围内，其传输特性都是单调的，这样合成的SQUID信号放大模块的传输特性就是第n级SQUID传输特性与第1～第(n-1)级各级SQUID段单调传输特性级联，该级联传输特性和第n级普通SQUID传输特性是完全相似的，即周期内工作零点单值。

同时，针对第(j-1)级SQUID反馈电流i_Pj-1；j＝2,3,...n，其功能是实现磁通正反 馈，第(j-1级)SQUID电路产生的正反馈电流i_Pj-1流入第(j-1)级的耦合线圈电路，产生磁通 反馈回第(j-1)级SQUID电路，这好形成一个磁通正反馈环路。由于正反馈是趋向不稳定的， 只有当正反馈环路的环路增益小于1才能保持稳定。因此要使得磁通正反馈能工作，必须要 求正反馈电流产生的磁通量小于一个临界值。在本实施例中，第(j-1)级正反馈电流i_Pj-1在 第(j-1)级SQUID转换电路产生的正反馈磁通峰峰值不大于0.3个磁通量子0.3Φ₀，即：

综上所述，上述三种电流的约束条件总结如下：

上述三种电流的约束条件适用于传输特性单调区间为工作点附近磁通的范围内的情况，其他如：SQUID传输特性不对称、工作点不在单调传输特性正中心位置的情况，需对三种电流的约束条件进行修改，但原理是完全相同的，在此不一一赘述。

通过设定所述反相放大反馈电路的增益调节灵敏度，以满足各种电路应用的需要，达到与后端电路的噪声匹配，同时保持磁通-电压传输特性同普通SQUID一种，避免级联产生的传输特性畸变问题。如图22所示，本发明的多级SQUID级联的信号放大模块的传输特性具有和普通DC SQUID完全相似的周期性磁通-电压传输特性，且传输特性周期内具有唯一可用于锁定的最佳工作点。该磁通-电压传输模块的输出电压V_F＝-k·V₁，因此该模块实现的磁通-电压传输率，也就是灵敏度：是第1级SQUID电路(也就是普通单个SQUID电路)灵敏度的k倍，k通常设置为100～1000倍。因此，通过设定所述反相放大反馈电路的增益可任意提高灵敏度，该灵敏度足够大，使得应用到传感器电路后，不需要考虑后级电路噪声匹配问题。

通过设定级联的SQUID电路的数量来提高噪声抑制倍数，级联模块由反相放大反馈电路引入的等效磁通噪声：

其中，是传统只有单个SQUID接入放大器时，反相放大反馈电路的等效磁通噪声；j＝2,3,...n，G_j-1为级联的第(j-1)级SQUID电路实现噪声抑制的倍数，是由第j级和第(j-1)级SQUID转换电路构成的一组增益。

根据SQUID周期非线性传输特性可知，其传输曲线是周期类似正弦函数，工作点分布在电压中间值，是斜率最大点。

因此，j＝2,3,...n，

则j＝2,3...n，

同理，j＝2,3,...n，

则

因此，级联一级SQUID实现的噪声抑制倍数也就是说，每增加一级SQUID级联，反相放大反馈电路等效噪声就可以抑制10倍以上。通常使用3个SQUID器件级联时，等效磁通噪声就可以抑制100倍，完全可以将反相放大反馈电路噪声(特别是低频段噪声)抑制达到SQUID的本征噪声以下。通过设定级联的SQUID电路的数量可任意改变噪声抑制倍数，达到SQUID本征噪声的极致。

如图23所示，本发明还提供一种SQUID磁传感器，包括所述SQUID信号放大模块1，连接于所述SQUID信号放大模块1输出端的积分器2，连接于所述积分器2输出端的反馈电阻3，以及连接于所述反馈电阻3输出端的反馈线圈4，构成磁通锁定环路，对被测磁通输入信号Φ进行检测。本发明的SQUID磁传感器实现的磁通-电压传输特性和普通SQUID磁传感器完全一致，同时，还能够不断的通过级联抑制前置放大器噪声，直到SQUID本征噪声，可用于实现最高性能的SQUID磁传感器。既和普通的SQUID磁传感器一样实用，又具有极高的噪声性能，成功解决了长期以来困扰SQUID应用的噪声匹配问题。

本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器，具有以下有益效果：

1、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器通过设定所用放大器的放大倍数调节灵敏度，以满足各种电路应用的需要，达到与后端电路的噪声匹配，同时保持磁通-电压传输特性同普通SQUID一致，避免级联产生的传输特性畸变问题。

2、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器通过SQUID级联，可以数量级(每增加一级，噪声降低10倍)的效果抑制模块中放大器的等效磁通噪声，使得整个模块完全达到SQUID本征噪声，从而发挥SQUID元件极致噪声性能。因此本发明方案的多级SQUID信号放大模块既实现了高灵敏度，又达到了低噪声性能，同时在应用上同普通SQUID器件相同，从而解决了长期以来多级SQUID级联难以实用的问题。

3、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器具有很好的扩展性，可根据放大器的噪声水平，任意扩展SQUID电路的级数，达到SQUID本征噪声的极致。

4、本发明的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器适用于工作在77K液氮温区的高温超导DC SQUID器件，也适用于工作在4.2K液氦温区的低温DC SQUID器件。

综上所述，本发明提供一种SQUID信号放大模块，包括检测被测磁通输入信号的第n级SQUID电路；依次串联于反相放大反馈电路的输入端与第n级SQUID电路的输出端之间的各级SQUID转换电路；输出响应电压的反相放大电压，并向各SQUID耦合线圈电路分别输出各级负反馈电流的反相放大反馈电路。藉由SQUID电路对被测磁通输入信号进行检测，并输出相应的电流或电压信号，将所述电流或电压信号在工作点附近磁通范围内逐级进行电流或电压到电流或电压的转换，最终得到与所述被测磁通信号相对应的响应电压，所述被测磁通输入信号与所述响应电压具有工作点唯一的磁通-电压传输特性曲线。并藉由上述SQUID信号放大模块，连接于所述SQUID信号放大模块输出端的积分器，连接于所述积分器输出端的反馈电阻，以及连接于所述反馈电阻输出端的反馈线圈，构成磁通锁定环路，对被测磁通输入信号进行检测。本发明提供一种高灵敏度极低噪声的SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器，噪声水平达到SQUID极限本征噪声水平，该模块既可以用于构建极高灵敏度和极低噪声性能的磁传感器，又可以用于SQUID本征噪声测试，开展SQUID的极限噪声性能研究。本发明为极限探测应用和科研提供了有力的工具，具有重要的应用和研究价值。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 (13)

1.一种SQUID信号放大模块，其特征在于，所述SQUID信号放大模块至少包括：

第n级SQUID电路、(n-1)级SQUID转换电路以及反相放大反馈电路，n为不小于1的整数；

所述第n级SQUID电路用于检测被测磁通输入信号，并将所述被测磁通输入信号转化为相应的第n级传输电流；

各级SQUID转换电路依次串联于所述反相放大反馈电路的输入端与所述第n级SQUID电路的输出端之间，从所述反相放大反馈电路的输入端开始依次定义为第1～第(n-1)级SQUID转换电路，第(n-1)级SQUID转换电路接收所述第n级SQUID电路输出的所述第n级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第(n-1)级负反馈电流，将接收到的电流转换为第(n-1)级传输电流，并输入到第(n-2)级SQUID转换电路中进行下一级电流转换，逐级获得第(n-2)～第2级传输电流，所述第1级SQUID转换电路接收所述第2级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第1级负反馈电流、输出与所述被测磁通信号相对应的响应电压；

所述反相放大反馈电路接收所述响应电压，输出所述响应电压的反相放大电压，并向各SQUID耦合线圈电路分别输出各级负反馈电流；

其中，各级SQUID转换电路包括串联的SQUID耦合线圈电路和SQUID电路，所述SQUID耦合线圈电路将接收到的电流信号转化为磁通信号，所述SQUID电路将所述SQUID耦合线圈电路输出的磁通信号转化电流或电压信号，作为后级电路的输入信号。

2.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID电路包括偏置电流源、SQUID器件以及传输电阻；其中，所述偏置电流源和所述SQUID器件串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述SQUID器件的另一端接地；所述传输电阻的一端连接于所述偏置电流源和所述SQUID器件之间，另一端输出传输电流。

3.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID电路包括偏置电流源、SQUID器件以及传输电阻；其中，所述偏置电流源和所述传输电阻串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述传输电阻的另一端接地；所述SQUID器件的一端连接于所述偏置电流源和所述传输电阻之间，另一端输出传输电流。

4.根据权利要求2或3所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID电路还包括正反馈电阻，所述正反馈电阻的一端连接于所述偏置电流源的输出端，另一端输出正反馈电流。

5.根据权利要求4所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述传输电阻阻值不小于所述正反馈电阻阻值的6倍。

6.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID耦合线圈电路包括偏置电流源以及耦合线圈，其中，所述偏置电流源和所述耦合线圈串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述耦合线圈的另一端接地，所述偏置电流源和所述耦合线圈之间接收各电流信号。

7.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述反相放大反馈电路包括低噪声放大器、反相放大器；其中，所述低噪声放大器的正相输入端连接所述响应电压、反相输入端经过第一电阻接地、输出端经过第二电阻连接至所述低噪声放大器的反相输入端；所述低噪声放大器的输出端经过第三电阻连接至所述反相放大器的反相输入端，所述反相放大器的正相输入端接地、输出端经过第四电阻连接至所述反相放大器的反相输入端；所述反相放大器的输出端输出反相放大电压，并通过若干反馈电阻分别向各SQUID耦合线圈电路输出负反馈电流。

8.一种如权利要求1～7任意一项所述的SQUID信号放大模块的信号放大方法，其特征在于，所述SQUID信号放大方法至少包括：

藉由SQUID电路对被测磁通输入信号进行检测，并输出相应的电流或电压信号，将所述电流或电压信号在传输特性单调区间内逐级进行电流或电压到电流或电压的转换，最终得到与所述被测磁通信号相对应的响应电压，所述被测磁通输入信号与所述响应电压具有工作点唯一的磁通-电压传输特性曲线。

9.根据权利要求8所述的SQUID信号放大方法，其特征在于：所述传输特性单调区间为工作点附近磁通的范围内，其中，Φ₀为一个磁通量子。

10.根据权利要求9述的SQUID信号放大方法，其特征在于：通过调节各级SQUID转换电路接收的电流信号使各级SQUID转换电路中的SQUID电路工作在工作点附近磁通范围内，其中，第(j-1)级SQUID转换电路中的SQUID电路工作在工作点附近磁通范围内满足的条件如下：

为第j级传输电流的峰峰值，为第(j-1)级负反馈电流的峰峰值，为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID电路输出到SQUID耦合线圈电路的正反馈电流的峰峰值，M_j-1为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID耦合线圈电路与SQUID电路的互感，Φ₀为一个磁通量子。

11.根据权利要求8所述的SQUID信号放大方法，其特征在于：通过设定所述反相放大反馈电路的增益来提高所述SQUID信号放大模块的灵敏度，所述SQUID信号放大模块的灵敏度为其中，k为所述反相放大反馈电路的增益，V₁为与所述响应电压，Φ为磁通量。

12.根据权利要求8所述的SQUID信号放大方法，其特征在于：通过设定级联的SQUID电路的数量来提高噪声抑制倍数，所述SQUID信号放大模块的噪声抑制倍数为G_n-1·G_n-2…G₁，其中，第(j-1)级噪声抑制倍数为：

G_j-1为第j级和第(j-1)级SQUID转换电路构成的一组增益，i_j为第j级传输电流，i_Pj-1为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID电路输出到SQUID耦合线圈电路的正反馈电流，M_j-1为第(j-1)级SQUID转换电路中SQUID耦合线圈电路与SQUID电路的互感，Φ为磁通量。

13.一种SQUID磁传感器，包括如权利要求1～7任意一项所述的SQUID信号放大模块，连接于所述SQUID信号放大模块输出端的积分器，连接于所述积分器输出端的反馈电阻，以及连接于所述反馈电阻输出端的反馈线圈，构成磁通锁定环路，对被测磁通输入信号进行检测。