JP2006258564A - 超伝導量子干渉素子用電子回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 周囲の温度等の変化によって生じるオフセットが生じないようにした、新規な超伝導量子干渉素子用電子回路を提供する。
【解決手段】 超伝導量子干渉素子用電子回路1は、超伝導量子干渉素子2からの信号を増幅する前置増幅器10と参照用前置増幅器11と信号を増幅する前置増幅器10と参照用前置増幅器11とが入力される差分器13とを含み、超伝導量子干渉素子2からの信号を増幅する前置増幅器10のオフセットが、参照用前置増幅器11のオフセットにより打ち消される。超伝導量子干渉素子2は、dc−SQUIDの他にrf−SQUIDを用いることができる。
【選択図】 図1
【解決手段】 超伝導量子干渉素子用電子回路1は、超伝導量子干渉素子2からの信号を増幅する前置増幅器10と参照用前置増幅器11と信号を増幅する前置増幅器10と参照用前置増幅器11とが入力される差分器13とを含み、超伝導量子干渉素子2からの信号を増幅する前置増幅器10のオフセットが、参照用前置増幅器11のオフセットにより打ち消される。超伝導量子干渉素子2は、dc−SQUIDの他にrf−SQUIDを用いることができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、超伝導量子干渉素子用の電子回路に関する。
超伝導量子干渉素子(以下、適宜SQUIDとも呼ぶ)は、超伝導リング内に1つ又は2つのジョセフソン接合を有する素子である。ジョセフソン接合が1つの場合はrf−SQUIDと、ジョセフソン接合が2つの場合はdc−SQUIDと、それぞれ呼ばれている。このSQUIDを使用すれば、微弱な磁界が検出できる。dc−SQUIDを用いた場合には、約1×10-14 T(テスラ)(10-10 ガウス)までの極めて微弱な磁界を検出できることから、各種物理計測に用いられている。また、近年は、心臓などの臓器から発生する生体磁気(10-12 〜10-10 T)の測定などに用いられるようになっている(非特許文献1)。
図6は従来のdc−SQUID駆動用電子回路を示す回路図である。図示するように、従来の超伝導量子干渉素子用電子回路50は、dc−SQUID51に接続される前置増幅器52と、前置増幅器52の出力が入力される増幅器53と、積分器54を含み構成されている。そして、dc−SQUIDの電流端子51a,51bには、バイアス電流Ibが印加されている。このため、電流端子51a,51bの両端に生じる電圧が、dc−SQUID51に接続される前置増幅器52により増幅される。前置増幅器52からの出力は、増幅器53によりさらに増幅され、積分器54に出力されて直流電圧となる。この積分器54からの出力は帰還抵抗55を介して、dc−SQUID51近傍に配置されているフィードバックコイル56に電流を流す。
ここで、増幅器53には、基準電圧57が入力されていて、常にdc−SQUID51からの出力電圧が一定となるように、帰還抵抗55を介してフィードバック制御されている。これにより、dc−SQUID51からの出力が一定となるように、フィードバックコイル56から磁束が発生する。このフィードバック電流の値は、dc−SQUID51に印加される外部磁界の磁束に比例する。これにより、フィードバック電流の値から外部磁束を測定することができる。
岸野正剛 著、「超伝導エレクトロニクスの物理」、丸善株式会社、平成5年9月20日発行、pp.137〜151
従来のSQUID駆動電子回路50においては、周囲の温度が変化すると、前置増幅器52のオフセットも変化する。このオフセット変化が非常に大きいと、超伝導量子干渉素子用電子回路50は不安定となり、SQUID駆動電子回路50を再調整しなければならず、長時間に亘り超伝導量子干渉素子からの信号を安定に検出できないという課題があった。
本発明は上記課題に鑑み、周囲の温度等の変化によって生じるオフセットが生じないようにした、新規な超伝導量子干渉素子用電子回路を提供する。
上記目的を達成するため、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路は、超伝導量子干渉素子からの信号を増幅する前置増幅器と、参照用前置増幅器と、信号を増幅する前置増幅
器と参照用前置増幅器との出力が入力される差分器と、を含み、超伝導量子干渉素子からの信号を増幅する前置増幅器のオフセットが、参照用前置増幅器のオフセットにより打ち消されることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、超伝導量子干渉素子は、dc−SQUID又はrf−SQUIDである。超伝導量子干渉素子がdc−SQUIDの場合には、好ましくは、参照用前置増幅器の入力には、入力抵抗が接続され、この入力抵抗には、dc−SQUIDのバイアス電流が印加されている。
参照用前置増幅器には、好ましくは、dc−SQUIDからの信号を、信号を増幅する前置増幅器とは逆相で入力する。
好ましくは、rf−SQUIDに結合する高周波タンク回路からの高周波信号を高周波増幅器により増幅し、増幅信号を復調器に入力して復調信号とし、信号を増幅する前置増幅器には復調信号の同相を入力し、参照用増幅器には復調信号の逆相を入力する。また、好ましくは、rf−SQUIDに結合する高周波タンク回路からの高周波信号を高周波増幅器により増幅し、増幅信号を復調器に入力して復調信号とし、信号を増幅する前置増幅器には復調信号を入力し、参照用前置増幅器の入力には入力抵抗を接続する。
器と参照用前置増幅器との出力が入力される差分器と、を含み、超伝導量子干渉素子からの信号を増幅する前置増幅器のオフセットが、参照用前置増幅器のオフセットにより打ち消されることを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、超伝導量子干渉素子は、dc−SQUID又はrf−SQUIDである。超伝導量子干渉素子がdc−SQUIDの場合には、好ましくは、参照用前置増幅器の入力には、入力抵抗が接続され、この入力抵抗には、dc−SQUIDのバイアス電流が印加されている。
参照用前置増幅器には、好ましくは、dc−SQUIDからの信号を、信号を増幅する前置増幅器とは逆相で入力する。
好ましくは、rf−SQUIDに結合する高周波タンク回路からの高周波信号を高周波増幅器により増幅し、増幅信号を復調器に入力して復調信号とし、信号を増幅する前置増幅器には復調信号の同相を入力し、参照用増幅器には復調信号の逆相を入力する。また、好ましくは、rf−SQUIDに結合する高周波タンク回路からの高周波信号を高周波増幅器により増幅し、増幅信号を復調器に入力して復調信号とし、信号を増幅する前置増幅器には復調信号を入力し、参照用前置増幅器の入力には入力抵抗を接続する。
上記構成によれば、超伝導量子干渉素子用電子回路において、超伝導量子干渉素子の信号検出用に設けられている前置増幅器とは別に、参照用の前置増幅器を設けている。このため、超伝導量子干渉素子の信号検出用に設けられている前置増幅器及び参照用の前置増幅器の差分を行うことで温度変動などにより生じるオフセットを打ち消すことができる。これにより、超伝導量子干渉素子からの信号を長時間安定に検出できる超伝導量子干渉素子用電子回路を提供することができる。
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路によれば、超伝導量子干渉素子の駆動用の電子回路の安定性が増し、dc−SQUIDやdc−SQUIDを長時間稼動することが可能になる。
以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材または同一の部分には同一の符号を付して説明する。
最初に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路による第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明による超伝導量子干渉素子用電子回路の第1の実施形態の構成を示す回路図である。本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1は、dc超伝導量子干渉素子(以下、適宜dc−SQUIDと呼ぶ)2に接続される第1の前置増幅器10と、参照用前置増幅器となる第2の前置増幅器11と、参照用前置増幅器11の出力側に接続されるローパスフィルター12と、前置増幅器10及び参照用前置増幅器11の出力が入力される差分器13と、差分器13の出力が入力される増幅器14と、積分器15と、を含み構成されている。なお、図中の点線で囲んでいる領域は、dc−SQUID2及び後述するフィードバックコイル18が収容されている。この領域は、dc−SQUID2が動作する温度に保持されている液体ヘリウムやヘリウム冷凍機などによるクライオスタットなどの容器3を示している。
最初に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路による第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明による超伝導量子干渉素子用電子回路の第1の実施形態の構成を示す回路図である。本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1は、dc超伝導量子干渉素子(以下、適宜dc−SQUIDと呼ぶ)2に接続される第1の前置増幅器10と、参照用前置増幅器となる第2の前置増幅器11と、参照用前置増幅器11の出力側に接続されるローパスフィルター12と、前置増幅器10及び参照用前置増幅器11の出力が入力される差分器13と、差分器13の出力が入力される増幅器14と、積分器15と、を含み構成されている。なお、図中の点線で囲んでいる領域は、dc−SQUID2及び後述するフィードバックコイル18が収容されている。この領域は、dc−SQUID2が動作する温度に保持されている液体ヘリウムやヘリウム冷凍機などによるクライオスタットなどの容器3を示している。
dc−SQUID2は、その一例を図示しているが、略半円帯状の超伝導体21,22がリング状に配置され、それらの両端部に図示しない絶縁体が挟まれて、ジョセフソン接合23,24が形成されている。そして、ジョセフソン接合23及び24から約90°離れた位置に、電流端子25,26が設けられている。ジョセフソン接合23及び24は、例えば、超伝導体21,絶縁体,超伝導体22から構成されている。ここで、超伝導体21,22は同じ材料を用いてもよい。また、絶縁体も同じ材料を用いてもよい。
dc−SQUIDの電流端子25にはバイアス電流Ibが印加され、電流端子26が接地されている。そして、電流端子25,26の両端に生じる電圧が、dc−SQUID2に接続される第1の前置増幅器10により増幅される。
参照用前置増幅器となる第2の前置増幅器11には、入力抵抗16が接続され、この入力抵抗16には、dc−SQUID2へ供給されるバイアス電流Ibが印加されている。この入力抵抗16は、dc−SQUID2の両端に発生する電圧振幅ΔVと、上記バイアス電流Ibから求まる動作抵抗Rd としておけばよい。すなわち、Rd ≒ΔV/Ibである。そして、第2の前置増幅器11の出力が、ローパスフィルター12により直流分が取り出される。
ここで、第2の前置増幅器11は第1の前置増幅器10と同じ増幅器であり、その電圧増幅率はK1 とする。
ここで、第2の前置増幅器11は第1の前置増幅器10と同じ増幅器であり、その電圧増幅率はK1 とする。
差分器13は、第1の前置増幅器10及び参照用前置増幅器11の出力が入力され、これらの差分が、増幅器14で増幅される。第1及び第2の前置増幅器10,11の周囲温度の変動などにより生じるオフセットは、第1及び第2の前置増幅器が同じ増幅器を使用しているので、同じオフセットとなる。このため、第1の前置増幅器10の出力は、dc−SQUID2からの電圧成分Sが増幅されたK1 SとオフセットDとの和、すなわち、K1 S+Dである。一方、第2の前置増幅器11の出力はオフセットDだけである。
したがって、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力間の差分は、第1及び第2の前置増幅器10,11における温度変動などによって生じるオフセット成分が打ち消しあい、dc−SQUID2からの電圧成分が増幅されたK1 Sだけになる。すなわち、dc−SQUID2からの信号を増幅する第1の前置増幅器10の温度変動によるオフセットが、参照用前置増幅器11のオフセットにより打ち消される。
したがって、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力間の差分は、第1及び第2の前置増幅器10,11における温度変動などによって生じるオフセット成分が打ち消しあい、dc−SQUID2からの電圧成分が増幅されたK1 Sだけになる。すなわち、dc−SQUID2からの信号を増幅する第1の前置増幅器10の温度変動によるオフセットが、参照用前置増幅器11のオフセットにより打ち消される。
このように、第1及び第2の前置増幅器10,11に生じるオフセットDを互いに打ち消すので、第1及び第2の前置増幅器10,11としては、同じオフセットDを生じさせるために同一のオフセットDを有する増幅器を用いればよい。
この際、第1及び第2の前置増幅器10,11の雑音電圧をそれぞれ、N1 及びN2 とすると、第1の前置増幅器10による信号と雑音の比である信号対雑音比(S/N)は、K1 S/(N1 2 +N2 2 )1/2 となる。
この際、第1及び第2の前置増幅器10,11の雑音電圧をそれぞれ、N1 及びN2 とすると、第1の前置増幅器10による信号と雑音の比である信号対雑音比(S/N)は、K1 S/(N1 2 +N2 2 )1/2 となる。
上記のdc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1においては、温度変化によるオフセットを打ち消すことにより、dc−SQUID2が安定動作する。すなわち、温度変化で生じる大きな電圧変動を抑圧することにより、より微小な電圧変換を可能とし、微小な磁場変化を適切に検出できるようになる。これにより、差分器13の出力はdc−SQUID2からの電圧成分だけになるので、本発明のSQUID駆動電子回路1の安定性が高まる。
差分器13からの出力は、増幅器14により増幅されて、さらに、積分器15に出力されて直流電圧にされる。この積分器15からの出力は、帰還抵抗17を介してdc−SQUID2近傍に配置されているフィードバックコイル18に接続されている。これにより、フィードバックコイル18には電流が流れる。
この増幅器14以降の回路構成は、図7に示した従来の超伝導量子干渉素子用電子回路と同じ構成である。増幅器14は、基準電圧19が入力されていて、dc−SQUID2からの出力が一定となるように、帰還抵抗17を介してフィードバックしている。このため、dc−SQUID2からの出力が一定となるように、フィードバックコイル18に電流が流れ磁束が発生する。このフィードバック電流の値は、dc−SQUID2に印加される外部磁界の磁束に比例する。これにより、フィードバック電流の値から外部磁束の測定ができる。
この増幅器14以降の回路構成は、図7に示した従来の超伝導量子干渉素子用電子回路と同じ構成である。増幅器14は、基準電圧19が入力されていて、dc−SQUID2からの出力が一定となるように、帰還抵抗17を介してフィードバックしている。このため、dc−SQUID2からの出力が一定となるように、フィードバックコイル18に電流が流れ磁束が発生する。このフィードバック電流の値は、dc−SQUID2に印加される外部磁界の磁束に比例する。これにより、フィードバック電流の値から外部磁束の測定ができる。
次に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第2の実施形態を説明する。
図2は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第2の実施形態の構成を示す回路図である。本発明の第2の実施形態による超伝導量子干渉素子用電子回路1Aが、図1に示す超伝導量子干渉素子用電子回路1と異なるのは、参照用増幅器となる第2の前置増幅器11の入力には、入力抵抗16を接続しない代わりにdc−SQUID2からの信号を第1の前置増幅器10とは逆相で入力する点と、第2の前置増幅器の出力をローパスフィルター12を用いないで差分器13へ直接入力する点である。ここで、第1及び第2の前置増幅器10,11及び差分器13は、差動増幅器を用いることができる。差動増幅器としては、集積回路による演算増幅器を用いることができる。
図2は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第2の実施形態の構成を示す回路図である。本発明の第2の実施形態による超伝導量子干渉素子用電子回路1Aが、図1に示す超伝導量子干渉素子用電子回路1と異なるのは、参照用増幅器となる第2の前置増幅器11の入力には、入力抵抗16を接続しない代わりにdc−SQUID2からの信号を第1の前置増幅器10とは逆相で入力する点と、第2の前置増幅器の出力をローパスフィルター12を用いないで差分器13へ直接入力する点である。ここで、第1及び第2の前置増幅器10,11及び差分器13は、差動増幅器を用いることができる。差動増幅器としては、集積回路による演算増幅器を用いることができる。
したがって、第1の前置増幅器10からの出力は、dc−SQUID2の電圧成分Sが増幅されたK1 Sと第1の前置増幅器10内で発生するオフセットDとの和、すなわち、K1 S+Dである。
一方、第2の前置増幅器11の出力は、dc−SQUID2の電圧成分(−S)が増幅された−K1 Sと第2の前置増幅器11内で発生するオフセットDとの和、すなわち、
−K1 S+Dである。
これにより、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力が入力される差分器13の出力は、第1及び第2の前置増幅器10,11における温度変動などによって生じるオフセット成分が打ち消しあい、dc−SQUID2からの電圧成分Sの2K1 倍である2K1 Sとなる。すなわち、dc−SQUID2からの信号を増幅する第1及び第2の前置増幅器10,11の温度変動によるオフセットDが打ち消され、dc−SQUID2からの電圧成分Sが増幅された2K1 Sが信号として得られる。これから、第1及び第2の前置増幅器10,11としては、同じオフセットDを生じさせるために、同一のオフセットDを有する増幅器を用いればよい。
一方、第2の前置増幅器11の出力は、dc−SQUID2の電圧成分(−S)が増幅された−K1 Sと第2の前置増幅器11内で発生するオフセットDとの和、すなわち、
−K1 S+Dである。
これにより、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力が入力される差分器13の出力は、第1及び第2の前置増幅器10,11における温度変動などによって生じるオフセット成分が打ち消しあい、dc−SQUID2からの電圧成分Sの2K1 倍である2K1 Sとなる。すなわち、dc−SQUID2からの信号を増幅する第1及び第2の前置増幅器10,11の温度変動によるオフセットDが打ち消され、dc−SQUID2からの電圧成分Sが増幅された2K1 Sが信号として得られる。これから、第1及び第2の前置増幅器10,11としては、同じオフセットDを生じさせるために、同一のオフセットDを有する増幅器を用いればよい。
したがって、差分器13の電圧増幅率が1の場合には、上記超伝導量子干渉素子用電子回路1の2倍の出力電圧(2K1 S)が得られる。この際、第1及び第2の前置増幅器10,11が入力される差分器13からの信号と雑音の比である信号対雑音比(S/N)は、2K1 S/(N1 2 +N2 2 )1/2 となり、超伝導量子干渉素子用電子回路1の2倍の信号対雑音比となる。これにより、超伝導量子干渉素子用電子回路1Aによれば、信号対雑音比が超伝導量子干渉素子用電子回路1の2倍となり、低雑音化できることになる。
なお、差分器13が差動増幅器である場合には、差分器13からの出力はK2 倍に増幅されて2K1 K2 Sとなる。
なお、差分器13が差動増幅器である場合には、差分器13からの出力はK2 倍に増幅されて2K1 K2 Sとなる。
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1及び1Aによれば、周囲の温度の変化によって生ずるオフセットの変化を低減することができる。このため、dc−SQUID2による長時間の計測ができる。
次に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第3の実施形態について説明する。
図3は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第3の実施形態の構成を示す回路図である。本発明の第3の実施形態による超伝導量子干渉素子用電子回路30が、図1に示す超伝導量子干渉素子用電子回路1と異なるのは、dc−SQUID2の代わりにrf超伝導量子干渉素子(以下、適宜rf−SQUIDと呼ぶ)20を用いた点である。ここで、rf−SQUID20は、例えば、円帯状の超伝導体21リング状に配置され、その一箇所に図示しない絶縁体が挟まれて、ジョセフソン接合23が形成されている。
なお、図中の点線で囲んでいる領域は、rf−SQUID20及び後述する高周波タンク回路31などが収容され、rf−SQUID20が動作する温度に保持されているクライオスタットなどの容器3を示している。
図3は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第3の実施形態の構成を示す回路図である。本発明の第3の実施形態による超伝導量子干渉素子用電子回路30が、図1に示す超伝導量子干渉素子用電子回路1と異なるのは、dc−SQUID2の代わりにrf超伝導量子干渉素子(以下、適宜rf−SQUIDと呼ぶ)20を用いた点である。ここで、rf−SQUID20は、例えば、円帯状の超伝導体21リング状に配置され、その一箇所に図示しない絶縁体が挟まれて、ジョセフソン接合23が形成されている。
なお、図中の点線で囲んでいる領域は、rf−SQUID20及び後述する高周波タンク回路31などが収容され、rf−SQUID20が動作する温度に保持されているクライオスタットなどの容器3を示している。
rf−SQUID20には、高周波タンク回路31となるコイル31A及びコンデンサ31Bが隣接して配設され、この高周波タンク回路31には、高周波電源32との結合用のリンクコイル31Cが隣接して配設されている。高周波タンク回路31には方向性結合器33を介して、高周波電源32からの信号が入力する。この方向性結合器33はループ方向性結合器などの所謂サーキュレータ作用を有している。このため、高周波電源32の出力を方向性結合器の下側ポート33Aに入力すると、高周波タンク回路31が接続している方向性結合器の左側ポート33Bにのみ出力され、方向性結合器の右側ポート33Cに接続している高周波増幅器34には出力しない。
一方、rf−SQUID20と結合する高周波タンク回路31の信号、すなわち、rf−SQUID20からの信号は、方向性結合器の右側ポート33Cに接続している高周波増幅器34に出力し、方向性結合器33の下側ポート33Aに接続している高周波電源32には出力しない。この際、高周波電源32は低周波信号で振幅変調(AM)されていてもよい。
これにより、高周波電源32からの信号はrf−SQUID20と結合する高周波タンク回路31にだけ供給され、rf−SQUID20と結合する高周波タンク回路31からの信号は高周波増幅器34にだけ入力する。
一方、rf−SQUID20と結合する高周波タンク回路31の信号、すなわち、rf−SQUID20からの信号は、方向性結合器の右側ポート33Cに接続している高周波増幅器34に出力し、方向性結合器33の下側ポート33Aに接続している高周波電源32には出力しない。この際、高周波電源32は低周波信号で振幅変調(AM)されていてもよい。
これにより、高周波電源32からの信号はrf−SQUID20と結合する高周波タンク回路31にだけ供給され、rf−SQUID20と結合する高周波タンク回路31からの信号は高周波増幅器34にだけ入力する。
rf−SQUID20からの信号を高周波増幅器34により増幅し、復調器36に入力する。復調器36により復調された直流成分又は低周波成分からなる復調信号の同相信号が、信号を増幅する前置増幅器10に入力する。そして、参照用増幅器11には復調信号の逆相を入力する。差分器13以降の回路構成は、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1と同じであるので、説明は省略する。
これにより、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路30においては、rf−SQUID20からの信号を高周波増幅器34により増幅し、復調器36で復調信号とし、この信号の同相及び逆相を、それぞれ第1及び第2の前置増幅器10,11で増幅するが、その際、周囲温度の変動などにより生じるオフセットは、同じ増幅器を使用しているので同じオフセットとなる。
したがって、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力の差分は、温度変動によって生じるオフセットが打ち消しあい、rf−SQUID20からの復調信号を増幅した電圧成分だけになる。差分器13以降の回路動作は、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1と同じであるので、説明は省略する。
したがって、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力の差分は、温度変動によって生じるオフセットが打ち消しあい、rf−SQUID20からの復調信号を増幅した電圧成分だけになる。差分器13以降の回路動作は、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1と同じであるので、説明は省略する。
次に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第4の実施形態について説明する。
図4は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第4の実施形態の構成を示す回路図である。第4の実施形態の超伝導量子干渉素子用電子回路30Aでは、図3に示す超伝導量子干渉素子用電子回路30と同様にrf−SQUID20を用いている。rf−SQUID20からの信号が高周波増幅器34で増幅され、復調器36及び第1の前置増幅器10を経て、差分器13に入力される点は同じ構成であるが、第2の前置増幅器11の構成が異なっている。
第2の前置増幅器11の入力には入力抵抗16が接続され、その出力がローパスフィルター12を介して差分器13に接続される。差分器13以降の回路構成は、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1と同じであるので、説明は省略する。
図4は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路の第4の実施形態の構成を示す回路図である。第4の実施形態の超伝導量子干渉素子用電子回路30Aでは、図3に示す超伝導量子干渉素子用電子回路30と同様にrf−SQUID20を用いている。rf−SQUID20からの信号が高周波増幅器34で増幅され、復調器36及び第1の前置増幅器10を経て、差分器13に入力される点は同じ構成であるが、第2の前置増幅器11の構成が異なっている。
第2の前置増幅器11の入力には入力抵抗16が接続され、その出力がローパスフィルター12を介して差分器13に接続される。差分器13以降の回路構成は、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1と同じであるので、説明は省略する。
rf−SQUID20を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路30Aにおいて、周囲温度の変動などにより生じる第1及び第2の前置増幅器10,11のオフセットは、同じ増幅器を使用しているので同じオフセットとなる。このため、第1の前置増幅器10の出力は復調信号の増幅電圧成分とオフセットとの和である。一方、第2の前置増幅器11の出力はオフセットだけである。
したがって、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力の差分は、温度変動によって
生じるオフセットが打ち消しあい、復調信号の増幅電圧成分だけになる。差分器14以降の回路動作は、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1と同じであるので、説明は省略する。
したがって、第1及び第2の前置増幅器10,11の出力の差分は、温度変動によって
生じるオフセットが打ち消しあい、復調信号の増幅電圧成分だけになる。差分器14以降の回路動作は、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1と同じであるので、説明は省略する。
以上説明したように、rf−SQUID20を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路30及び30Aにおいては、温度変化によるオフセットを打ち消すことによりrf−SQUID20が安定動作をする。すなわち、第1及び第2の前置増幅器10,11の温度変化で生じる大きな電圧変動を抑圧することにより、より微小な電圧変換を可能とし、微小な磁場変化を適切に検出できるようになる。
これにより、差分器13の出力はrf−SQUID20に結合した高周波タンク回路31からの高周波電圧成分を増幅して得た復調信号の増幅信号成分だけになるので、本発明のrf−SQUID20を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路30,30Aの安定性が高まる。
これにより、差分器13の出力はrf−SQUID20に結合した高周波タンク回路31からの高周波電圧成分を増幅して得た復調信号の増幅信号成分だけになるので、本発明のrf−SQUID20を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路30,30Aの安定性が高まる。
次に、実施例に基づいて詳細に説明する。
実施例として、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1Bを製作した。図5は、実施例のdc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1Bの構成を示す回路図である。基本的には、超伝導量子干渉素子用電子回路1Aの回路と同様である。
第1及び第2の前置増幅器10,11としては、低雑音の演算増幅器による差動増幅器を用いた(アナログ・デバイセズ社製、AD797)。図中の演算増幅器の入力などに接続されている抵抗は増幅度設定用の抵抗である。第1及び第2の前置増幅器10,11の電圧増幅率は約10である。差分器13として差動増幅器を用い、この電圧増幅率は約10である。また、演算増幅器を用いた積分器15を用いた。
このような構成による実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路1Bの温度変動によるオフセット値は、2mV/℃以下とすることができた。従来の超伝導量子干渉素子用電子回路によるオフセット値は10mV/℃程度である。したがって、実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路1Bにおけるオフセット値は従来の数分の一以下とすることができた。
実施例として、dc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1Bを製作した。図5は、実施例のdc−SQUID2を用いた超伝導量子干渉素子用電子回路1Bの構成を示す回路図である。基本的には、超伝導量子干渉素子用電子回路1Aの回路と同様である。
第1及び第2の前置増幅器10,11としては、低雑音の演算増幅器による差動増幅器を用いた(アナログ・デバイセズ社製、AD797)。図中の演算増幅器の入力などに接続されている抵抗は増幅度設定用の抵抗である。第1及び第2の前置増幅器10,11の電圧増幅率は約10である。差分器13として差動増幅器を用い、この電圧増幅率は約10である。また、演算増幅器を用いた積分器15を用いた。
このような構成による実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路1Bの温度変動によるオフセット値は、2mV/℃以下とすることができた。従来の超伝導量子干渉素子用電子回路によるオフセット値は10mV/℃程度である。したがって、実施例の超伝導量子干渉素子用電子回路1Bにおけるオフセット値は従来の数分の一以下とすることができた。
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。本発明に用いるdc−SQUIDやrf−SQUIDは、その使用目的に応じて、適宜に選択あるいは設計すればよい。
1,1A:超伝導量子干渉素子用電子回路
2:dc超伝導量子干渉素子(dc−SQUID)
3:クライオスタット
10:第1の前置増幅器(信号用前置増幅器)
11:第2の前置増幅器(参照用前置増幅器)
12,35:ローパスフィルター
13:差分器
14:増幅器
15:積分器
16:入力抵抗
17:帰還抵抗
18:フィードバックコイル
19:基準抵抗
20:rf超伝導量子干渉素子(rf−SQUID)
21,22:超伝導体
23,24:ジョセフソン接合
25,26:電流端子
30,30A,30B:rf−SQUIDを用いた超伝導量子干渉素子用電子回路
31:高周波タンク回路
31A:コイル
31B:コンデンサ
31C:リンクコイル
32:高周波電源
33:方向性結合器
34:信号用高周波増幅器(信号用前置増幅器)
36:復調器
38:参照用高周波増幅器(参照用前置増幅器)
2:dc超伝導量子干渉素子(dc−SQUID)
3:クライオスタット
10:第1の前置増幅器(信号用前置増幅器)
11:第2の前置増幅器(参照用前置増幅器)
12,35:ローパスフィルター
13:差分器
14:増幅器
15:積分器
16:入力抵抗
17:帰還抵抗
18:フィードバックコイル
19:基準抵抗
20:rf超伝導量子干渉素子(rf−SQUID)
21,22:超伝導体
23,24:ジョセフソン接合
25,26:電流端子
30,30A,30B:rf−SQUIDを用いた超伝導量子干渉素子用電子回路
31:高周波タンク回路
31A:コイル
31B:コンデンサ
31C:リンクコイル
32:高周波電源
33:方向性結合器
34:信号用高周波増幅器(信号用前置増幅器)
36:復調器
38:参照用高周波増幅器(参照用前置増幅器)
Claims (7)
- 超伝導量子干渉素子からの信号を増幅する前置増幅器と、
参照用前置増幅器と、
上記信号を増幅する前置増幅器と参照用前置増幅器との出力が入力される差分器と、を含み構成される超伝導量子干渉素子用電子回路であって、
上記超伝導量子干渉素子からの信号を増幅する前置増幅器のオフセットが、上記参照用前置増幅器のオフセットにより打ち消されることを特徴とする、超伝導量子干渉素子用電子回路。 - 前記超伝導量子干渉素子は、dc−SQUIDであることを特徴とする、請求項1に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 前記参照用前置増幅器の入力には入力抵抗が接続され、この入力抵抗には、前記dc−SQUIDのバイアス電流が印加されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 前記参照用前置増幅器には、dc−SQUIDからの信号を、前記信号を増幅する前置増幅器とは逆相で入力することを特徴とする、請求項1又は2に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 前記超伝導量子干渉素子は、rf−SQUIDであることを特徴とする、請求項1に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 前記rf−SQUIDに結合する高周波タンク回路からの高周波信号を高周波増幅器により増幅し、該増幅信号を復調器に入力して復調信号とし、前記信号を増幅する前置増幅器には上記復調信号の同相を入力し、前記参照用増幅器には上記復調信号の逆相を入力することを特徴とする、請求項1又は5に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 前記rf−SQUIDに結合する高周波タンク回路からの高周波信号を高周波増幅器により増幅し、該増幅信号を復調器に入力して復調信号とし、前記信号を増幅する前置増幅器には上記復調信号を入力し、前記参照用前置増幅器の入力には入力抵抗を接続することを特徴とする、請求項1又は5に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005075609A JP2006258564A (ja) | 2005-03-16 | 2005-03-16 | 超伝導量子干渉素子用電子回路 |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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JP2005075609A Pending JP2006258564A (ja) | 2005-03-16 | 2005-03-16 | 超伝導量子干渉素子用電子回路 |
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-
2005
- 2005-03-16 JP JP2005075609A patent/JP2006258564A/ja active Pending
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