[发明专利]基于三端变压器的超导SQUID偏置反转前端电路及调整方法

说明书

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。