CN203595799U - 偏移电压调节电路及所适用的超导量子干涉传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种偏移电压调节电路及所适用的超导量子干涉传感器。其中，所述传感器包括：与外接的可调偏置电源相连的偏置电路；与所述偏置电路相连的超导量子干涉器件；与所述偏置电源和外接的可调偏移电源相连的偏移电压调整电路，用于根据所述偏置电源和偏移电源所提供的电压来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量。本实用新型从偏置电源引出其输入所述超导量子干涉器件的电压，并将其与偏移电源所提供的电压相加，以抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的至少大部分的直流电压分量，有效简化了对偏移电源的调节。

Description

偏移电压调节电路及所适用的超导量子干涉传感器

技术领域

本实用新型涉及一种偏移电压调节技术，特别是涉及一种偏移电压调节电路及所适用的超导量子干涉传感器。

背景技术

采用超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，以下简称SQUID）的传感器是目前已知的最灵敏的磁传感器。广泛应用于心磁、脑磁、极低场核磁共振等微弱磁信号探测和科学研究中。

超导量子干涉器件SQUID是基于两个并联的约瑟夫森结构成的器件。当给SQUID加载一定的偏置电流，SQUID两端的电压将会随着其感受到的磁场发生变化，这种磁敏感特性，使得SQUID被用于制作极高灵敏度的磁传感器。

但是，由于SQUID的个体差异很大，因此在使用前需要对SQUID及其读出电路进行调节，以找到SQUID具有最大的磁通电压转换率的工作点，同时SQUID所输出的感应信号在该工作点处的直流电压分量为零。经过工作点调整的SQUID就可接入包含积分器的读出电路（也叫磁通锁定环路），以实现磁场电压线性转换。

其中，SQUID的工作点的调节包括两个参数：偏置电流和偏移电压。其中，所述偏置电是加载到SQUID的恒定电流，使其具有磁通电压转化特性。所述偏移电压是用于将SQUID所输出的电压中的直流电压分量予以抵销。在调节过程中，SQUID磁通电压转换特性对偏置电流的调节不是很明感，但偏置电流调节后在SQUID输出的感应信号中的直流电压分量的变化非常明显。因此，调节偏移电压时除了抵消偏置电流产生的电压，同时要进行细微电压偏移量的调节以满足最佳工作点选择的要求。

现有技术中，如图1所示，在调节SQUID的工作点期间，外接可调的偏置电源通过电阻与SQUID相连，以向所述SQUID输入偏置电流，所述SQUID的输出端与读出电路相连，在所述读出电路中包括与外接可调的偏移电源和所述SQUID输出端相连的加法器，以抵消所述SQUID所输出的感应信号中的直流电压分量。其中，SQUID所输出的感应信号中包含变化较大的直流电压分量，导致直流电压分量变化大的因素主要是偏置电流的变化。如图2所示，由于SQUID的半导体特性，在偏置电流加大到工作启动值时才开始输出感应信号，当偏置电流被调节时，感应信号中所携带的直流电压分量也按照图中曲线所示进行变化，由图中可见，SQUID在工作点所产生的直流电压分量在50微伏左右，而实际上，可用做工作点区域电压选择范围只在3-5个微伏之间，要找到最佳工作点，获得低噪声性能，其偏移电压调节精度要求达到0.1uV。为了适应大多数SQUID器件偏移电压的调节，要求偏移电压信号既要有大的电压可调节范围，至少100微伏以上，又要具有很小的电压调节量如0.1微伏的调节分辨率，因此要求偏移电压源具有千分之一以下的精度，因此精度要求高。对于普通的SQUID读出电路而言，可调偏置电压源只要百分之一的精度即可，而偏移电压源的精度要求要高一个数量级，增加了设计的难度和复杂度。同时由于偏置电压源和偏移电压源是相互独立的，其设计精度不同，因此两种电压源的温度漂移特性不同，因此工作点的温度漂移容忍度变差。读出电路的偏置电压源和偏移电压源只能同时使用具有相同电路特性的高精度可调电压源，电路成本高。精密的偏移电压源既使读出电路增加了成本，也给调节操作带了难度。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种偏移电压调节电路及所适用的超导量子干涉传感器，用于解决现有技术中由于两个可调电压源相对独立而导致调节操作困难、且温度漂移容忍度差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种偏移电压调节电路，应用于超导量子干涉传感器中，其中，所述超导量子干涉传感器包括：超导量子干涉器件，所述偏移电压调节电路至少包括：与外接的可调偏置电源相连的第一比例分压子电路，与外接的可调偏移电源相连的第二比例分压子电路，以及用于将所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所输出电压相叠加来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量的电压抵消子电路。

优选地，所述电压抵消子电路包括：与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处相连并接地的电阻R4，以及加法器，其中，所述加法器的正输入端与所述超导量子干涉器件相连，所述加法器的负输入端与所述共同连接处相连。

优选地，所述电压抵消子电路包括：与所述超导量子干涉器件的输出端相连的反向器，以及加法器，其中，所述加法器的负输入端与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处相连，所述加法器的负输入端还通过电阻R4与所述反向器的输出端相连，所述加法器的输出端和负输入端之间的电阻R5，所述加法器的正输入端接地。

优选地，所述反向器包括反向放大器。

优选地，所述第一比例分压子电路中包含电组R2，所述第二比例分压子电路中包含电阻R3，且所述电阻R2、R3的阻值在百欧级，所述电阻R4的阻值在1至10欧之间，所述电阻R2、R3及R4的取值与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所分压的比例相关。

基于上述目的，本实用新型还提供一种超导量子干涉传感器，其至少包括：与外接的可调偏置电源相连的偏置电路；与所述偏置电路相连的超导量子干涉器件；与所述偏置电源和外接的可调偏移电源相连的偏移电压调整电路，用于根据所述偏置电源和偏移电源所提供的电压来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量。

优选地，所述偏移电压调整电路包括：与外接的可调偏置电源相连的第一比例分压子电路，接于外接的可调偏移电源的第二比例分压子电路，以及用于将所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所输出电压相叠加来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量的电压抵消子电路。

优选地，所述电压抵消子电路包括：与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的共同连接处相连并接地的电阻R4，以及加法器，其中，所述加法器的正输入端与所述超导量子干涉器件相连，所述加法器的负输入端与所述共同连接处相连。

优选地，所述电压抵消子电路包括：与所述超导量子干涉器件的输出端相连的反向器，以及加法器，其中，所述加法器的负输入端与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处相连，所述加法器的负输入端还通过电阻R4与所述反向器的输出端相连，所述加法器的输出端和负输入端之间的电阻R5，所述加法器的正输入端接地。

优选地，所述反向器包括反向放大器。

优选地，所述第一比例分压子电路中包含电组R2，所述第二比例分压子电路中包含电阻R3，且所述电阻R2、R3的阻值在百欧级，所述电阻R4的阻值在1至10欧之间，所述电阻R2、R3及R4的取值与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所分压的比例相关。

如上所述，本实用新型的偏移电压调节电路及所适用的超导量子干涉传感器，具有以下有益效果：从偏置电源引出相当于输入所述超导量子干涉器件的偏置电压的电压，以至少部分的抵消感应信号中的直流电压分量，能够通过传感器内部实现直流电压分量的至少大部分的抵消，以有效减少外部偏移电源的动态调节范围。使得外部的偏移电源在有效量程内提供高精度的微调的偏移电压，通过将所述传感器内部引出的电压和所微调的电压按比例取和，能够有效抵消感应信号中的直流电压分量，由此将传感器中的SQUID的最佳工作点所输出的感应信号有效传出。同时，有效降低了温度漂移所带来的影响。

附图说明

图1显示为现有技术的超导量子干涉传感器的结构示意图。

图2显示为超导量子干涉器件的I-V曲线示意图。

图3显示为本实用新型的超导量子干涉传感器的结构示意图。

图4显示为本实用新型的超导量子干涉传感器的一种优选方案的结构示意图。

图5显示为本实用新型的超导量子干涉传感器的又一种优选方案的结构示意图。

图6显示为本实用新型的超导量子干涉传感器的又一种优选方案的结构示意图。

元件标号说明

1                超导量子干涉传感器

11               超导量子干涉器件

12               偏置电路

13               偏移电压调整电路

131              电压抵消子电路

132              第一比例分压子电路

133              第二比例分压子电路

2                可调偏置电源

3                可调偏移电源

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点及功效。

请参阅图2至图4。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，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，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，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图3所示，本实用新型提供一种超导量子干涉传感器。所述超导量子干涉传感器1包括：偏置电路12、超导量子干涉器件11、及偏移电压调整电路13。

所述偏置电路12与外接的可调偏置电源2相连。其中，如图3、4、5所示，所述偏置电路12包括与所述偏置电源2相连的电阻R1，所述电阻R1连接所述超导量子干涉器件11。

所述超导量子干涉器件11与所述偏置电路12相连，用于基于所述偏置电路12提供的偏置电流来激励自身的半导体导通并探测所在环境的磁信号。

具体地，所述超导量子干涉器件11位于超导环境中，利用超导量子干涉技术探测某频率的微弱磁信号，如心磁、脑磁、核磁共振、或地球物理磁信号等。其在所述偏置电流的激励下，根据所探测到的磁信号改变自身的等效电阻，以便输出相应的感应信号。

所述偏移电压调整电路13与所述偏置电源2和外接的可调偏移电源3相连，用于基于所述偏置电源2和偏移电源3所提供的电压来抵消所述超导量子干涉器件11所输出的感应信号中的直流电压分量。

具体地，由图4可见，所述超导量子干涉器件11所输出的感应信号中包含：基于所探测的磁信号而转换的感应电压分量以及直流电压分量，其中，所述直流电压分量包括：所述偏置电路12所输入的偏置电压、所述超导量子干涉器件11和偏置电路12的自身噪声、温度等因素而产生的直流电压，则所述偏移电压调整电路13将所述超导量子干涉器件11所输出的感应信号与所述偏置电源2所提供的电压和可调的偏移电源3所提供的电压进行减法运算，以此来抵消所述感应信号中的直流电压分量，以便保留对应所探测的磁信号的感应电压。其中，所述偏移电源3的调节依据以所述偏置电源2的调节情况来确定。

本实施例中，如图4所示，所述偏移电压调整电路13包括：与所述偏置电源2相连的第一比例分压子电路132，与所述偏移电源3相连的第二比例分压子电路133，以及电压抵消子电路131。

所述第一比例分压子电路132包括与所述偏置电源2相连的电阻R2，所述电阻R2的阻值在百欧级。利用所述电阻R2的分压功能，所述第一比例分压子电路可以将所述偏置电源2所提供的电压按照预设的第一比例进行分压。

所述第二比例分压子电路133包括与所述偏移电源3相连的电阻R3，所述电阻R3的阻值在百欧级。利用所述电阻R3的分压功能，所述第二比例分压子电路可以将所述偏移电源3所提供的电压按照预设的第二比例进行分压。

所述电压抵消子电路131与所述第一比例分压子电路132和第二比例分压子电路133和超导量子干涉器件11相连，用于将所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所输出电压相叠加来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量。

具体地，所述电压抵消子电路131中的加法模块将所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所输出的电压进行叠加，得到偏移电压，再利用减法模块将所述超导量子干涉器件所输出的感应信号与所述偏移电压进行减法处理以抵消所述感应信号中的直流电压分量。

优选地，所述电压抵消子电路131包括：与所述第一比例分压子电路132和第二比例分压子电路133的输出端的共同连接处相连并接地的电阻R4，以及加法器，其中，所述加法器的正输入端与所述超导量子干涉器件相连。

具体地，如图5所示，当所述偏移电压调整电路13直接与所述超导量子干涉器件11的输出端相连时，所述电压抵消子电路131包括：与所述电阻R2和R3的共同连接处（对应于所述加法模块）相连并接地的电阻R4，以及将所述超导量子干涉器件11和所述电阻R4分别对应的接入正负输入端的加法器（对应于所述减法模块）。其中，所述电阻R4的阻值与所述超导量子干涉器件11的等效电阻相关，所述电阻R1、R2和R3的阻值需远远大于电阻R4,由此，所述偏置电源2和偏移电源3所提供的电压在电阻R4处所叠加的电压等效成按照比例分配后的电压之和。优选地，所述电阻R1、R2和R3的阻值在百欧姆的量级，所述电阻R4的阻值在1～10欧姆范围内，其中，所述电阻R2、R4的取值应分别对应于电阻R1和超导量子干涉器件的等效电阻R0，以确保所述电阻R2分压比例为R1/R0与所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的偏置电压相同或相近，所述电阻R3、R4的取值与所需补偿的偏移电压的最大值U2max和外部输入的可调偏移电压的最大值Uofsmax相关，以确保所述电阻R3所分压的比例为U2max/Uofsmax。接着，所述超导量子干涉传感器1中的前置放大器与所述加法器的输出端相连，以便对所输出的感应信号进行放大。

又一种优选方案为，所述电压抵消子电路131包括：与所述超导量子干涉器件的输出端相连的反向器（对应于所述减法模块），以及加法器，其中，所述加法器的负输入端与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处（对应于所述加法模块）相连，所述加法器的负输入端还通过电阻R4与所述反向器的输出端相连，所述加法器的输出端和负输入端之间的电阻R5，所述加法器的正输入端接地。

例如，当所述偏移电压调整电路13通过反向器与所述超导量子干涉器件11的输出端相连时，则所述电压抵消子电路131包括：电阻R2和R3的共同连接处相连且另一端与所述反向器相连的电阻R4，负输入端与所述电阻R2、电阻R3的共同连接处相连且正输入端接地的加法器，以及连接在所述加法器的输出端和正输入端之间的电阻R5。其中，所述电阻R2、R3的阻值在百欧级，所述电阻R4的阻值在1至10欧之间，所述电阻R2、R3及R4的取值与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所分压的比例相关。类似的，所述电阻R4的阻值与所述超导量子干涉器件11的等效电阻相关，所述电阻R1、R2和R3的阻值需远远大于电阻R4,由此，所述偏置电源2和偏移电源3所提供的电压在电阻R4处所叠加的电压等效成按照比例分配后的电压之和。优选地，所述电阻R1、R2和R3的阻值在百欧姆的量级，所述电阻R4的阻值在1～10欧姆范围内。如图6所示，所述反向器优选为反向放大器，由所述反向放大器可以作为前置放大器对所输出的感应信号进行前置放大。

如图5所示，所述超导量子干涉传感器1的工作过程如下：

在所述超导量子干涉传感器1的调试最佳工作点的过程中，技术人员通过调节旋钮调节所述偏置电源2和偏移电源3，于是，外接的所述偏置电源2通过电阻R1向所述超导量子干涉器件11输入偏置电流，在所述偏置电流的激励下，所述超导量子干涉器件11输出感应信号，所述偏置电源2和外接的可调偏移电源3各自所提供的电流分别通过电阻R2、R3汇合于电阻R4，由与电阻R2、R3的阻值远远大于电阻R4，则由电阻R2、R3和R4所构成的回路将所述偏置电源2和偏移电源3各自所提供的电压可视为按比例取和，再将取和后的电压输至加法器的正输入端，所述加法器的负输入端输入所述感应信号，则所述加法器将所述感应信号的电压减去取和后的电压，以输出将所探测磁信号转换成的感应电压，与所述加法器的输出端相接的后续电路通过对所述感应电压的调试来确定所调节的偏置电源2和偏移电源3是否满足所述超导量子干涉传感器1的最佳工作点。

如图6所示，所述超导量子干涉传感器1的工作过程如下：

在所述超导量子干涉传感器1的调试最佳工作点的过程中，技术人员通过调节旋钮调节所述偏置电源2和偏移电源3，于是，外接的所述偏置电源2通过电阻R1向所述超导量子干涉器件11输入偏置电流，在所述偏置电流的激励下，所述超导量子干涉器件11输出感应信号，所述感应信号经过反向放大器被反向放大，同时，所述偏置电源2和外接的可调偏移电源3各自所提供的电压分别通过电阻R2、R3汇合于电阻R4，同时，被反向放大器放大的感应信号的电压也输至所述电阻R4处，在所述电阻R4处所述感应信号的电压中的直流电压分量被予以抵销，再将抵销后的感应信号输至1:1的放大器，以起到稳压作用。由此，与所述放大器的输出端相接的后续电路通过对所述感应信号的电压的调试来确定所调节的偏置电源2和偏移电源3是否满足所述超导量子干涉传感器1的最佳工作点。

综上所述，本实用新型的偏移电压调节电路及所适用的超导量子干涉传感器，从偏置电源引出相当于输入所述超导量子干涉器件的偏置电压的电压，以至少部分的抵消感应信号中的直流电压分量，能够通过传感器内部实现直流电压分量的至少大部分的抵消，以有效减少外部偏移电源的动态调节范围，同时降低对可调电压源（偏置和偏移用）精度的依赖，使得外部的偏移电源在有效量程内提供高精度的微调的偏移电压，通过将所述传感器内部引出的电压和所微调的电压按比例取和，能够有效抵消感应信号中的直流电压分量，由此将传感器中的SQUID的最佳工作点所输出的感应信号有效传出；另外，由于分压电阻R2和R3的阻值比电阻R4的阻值大10倍以上，通过电阻R2和R3的电流在R4处合并后，相当于偏置电压和偏移电压的按比例叠加，由此能够有效抵消直流电压分量中偏置电压的部分，技术人员只需再通过微调偏移电压即可得到高精度的SQUID的工作点。

抵消电压由两部分组成：1.来自偏置电压通过第一比例系数贡献。2.来自另一个偏移电压，通过第二比例系数贡献。如此，则无需设置多个调节电源。

偏置电压信号在工作点直流抵消中起主要贡献，偏置电压调节过程中，随着SQUID偏置电流的增加，SQUID直流分量增加，同时抵消电路也随着偏置电压的贡献也在增大直流抵消信号。因此具有联动性，在选择合适的第一比例系数后，其工作点直流电压大部分将随着偏置电压信号的调节自动抵消。

另一个偏移电压则在引入偏置电压信号后，仍有部分直流电压未抵消情况下，再进行修正的，因此可称为工作点修正电压信号。由于所需修正的电压范围小，因此偏移电压源的不需要高的进度，也能实现工作点较小电压量的调节和修正。因此偏移电压源起直流电压修正的功能，降低了对其精度的要求。

由于工作点直流电压抵消与偏置电压源信号联动，因此偏置电压源温度漂移产生的工作点直流漂移也因为抵消电路的联动，不会产生大的波动。提高了工作点温度漂移的容忍度。

所以，本实用新型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实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种偏移电压调节电路，应用于超导量子干涉传感器中，其中，所述超导量子干涉传感器包括：超导量子干涉器件，其特征在于，至少包括：

与外接的可调偏置电源相连的第一比例分压子电路，与外接的可调偏移电源相连的第二比例分压子电路，以及用于将所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所输出电压相叠加来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量的电压抵消子电路。

2.根据权利要求1所述的偏移电压调节电路，其特征在于，所述电压抵消子电路包括：

与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处相连并接地的电阻R4，以及加法器，其中，所述加法器的正输入端与所述超导量子干涉器件相连，所述加法器的负输入端与所述共同连接处相连。

3.根据权利要求1所述的偏移电压调节电路，其特征在于，所述电压抵消子电路包括：

与所述超导量子干涉器件的输出端相连的反向器，以及加法器，其中，所述加法器的负输入端与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处相连，所述加法器的负输入端还通过电阻R4与所述反向器的输出端相连，所述加法器的输出端和负输入端之间的电阻R5，所述加法器的正输入端接地。

4.根据权利要求3所述的偏移电压调节电路，其特征在于，所述反向器包括反向放大器。

5.根据权利要求2或3所述的偏移电压调节电路，其特征在于，所述第一比例分压子电路中包含电组R2，所述第二比例分压子电路中包含电阻R3，且所述电阻R2、R3的阻值在百欧级，所述电阻R4的阻值在1至10欧之间，所述电阻R2、R3及R4的取值与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所分压的比例相关。

6.一种超导量子干涉传感器，其特征在于，至少包括：

与外接的可调偏置电源相连的偏置电路；

与所述偏置电路相连的超导量子干涉器件；

与所述偏置电源和外接的可调偏移电源相连的偏移电压调整电路，用于根据所述偏置电源和偏移电源所提供的电压来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量。

7.根据权利要求6所述的超导量子干涉传感器，其特征在于，所述偏移电压调整电路包括：

与外接的可调偏置电源相连的第一比例分压子电路，接于外接的可调偏移电源的第二比例分压子电路，以及用于将所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所输出电压相叠加来抵消所述超导量子干涉器件所输出的感应信号中的直流电压分量的电压抵消子电路。

8.根据权利要求7所述的超导量子干涉传感器，其特征在于，所述电压抵消子电路包括：

与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处相连并接地的电阻R4，以及加法器，其中，所述加法器的正输入端与所述超导量子干涉器件相连，所述加法器的负输入端与所述共同连接处相连。

9.根据权利要求7所述的超导量子干涉传感器，其特征在于，所述电压抵消子电路包括：

与所述超导量子干涉器件的输出端相连的反向器，以及加法器，其中，所述加法器的负输入端与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路的输出端的共同连接处相连，所述加法器的负输入端还通过电阻R4与所述反向器的输出端相连，所述加法器的输出端和负输入端之间的电阻R5，所述加法器的正输入端接地。

10.根据权利要求8或9所述的超导量子干涉传感器，其特征在于，所述第一比例分压子电路中包含电组R2，所述第二比例分压子电路中包含电阻R3，且所述电阻R2、R3的阻值在百欧级，所述电阻R4的阻值在1至10欧之间，所述电阻R2、R3及R4的取值与所述第一比例分压子电路和第二比例分压子电路各自所分压的比例相关。

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