一種雙級超導量子幹涉器放大裝置、方法及SQUID磁傳感器與流程

2023-06-26 14:31:21

本發明屬於磁傳感器技術領域，涉及一種用於SQUID磁傳感器的放大裝置，特別是涉及一種雙級超導量子幹涉器放大裝置、方法及SQUID磁傳感器。

背景技術：

基於超導量子幹涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下簡稱SQUID)的磁傳感器是目前已知的最靈敏的磁探測器，廣泛應用於生物磁場、地球磁場異常、極低場核磁共振等微弱磁場探測領域，其探測靈敏度已經達到飛特(10-15特斯拉)量級。SQUID磁傳感器是極限探測、科學研究中重要的磁傳感器設備，具有很高的科研和應用價值。

SQUID器件是SQUID磁傳感器中最核心的磁敏感元件。通常採用直流SQUID器件(以下所述的SQUID都指直流SQUID器件)，該器件是由兩個超導約瑟夫森結並聯構成的一個超導環，在約瑟夫森結的兩端引出端子，加載一定的偏置電流，使SQUID兩端的電壓具有隨其感應磁場發生變化的特性。即SQUID感應外界磁通，輸出響應的電壓，輸入磁通和電壓構成對應的傳輸特性。典型的SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線如圖1所示。SQUID磁通-電壓傳輸特性是指SQUID的輸入輸出的關係，即輸入一個被測磁通量，SQUID相應輸出一個電壓值，以輸入磁通量為橫軸，電壓響應為縱軸，輸入磁通與輸出電壓一一對應，就構成了圖1所示的特性曲線，該曲線反映了SQUID磁場-電壓傳輸特性。該磁通-電壓傳輸特性是周期非線性的，周期為一個磁通量子Φ0(2.07×10-15韋伯)。從SQUID的磁通-電壓傳輸特性曲線可以看出，SQUID響應外部磁通是非線性的，且隨輸入磁通呈周期變化，是一個以輸入磁通為自變量的周期函數。周期為一個磁通量子Φ0。所述SQUID是磁敏元件，就是指SQUID能響應輸入的磁通，產生電壓變化，即對輸入磁通敏感。由於磁通-電壓傳輸特性是非線性的，SQUID對不同磁通輸入其響應能力不同。通常引入傳輸特性曲線的斜率來表徵敏感程度，斜率越大，靈敏度越高。在傳輸特性曲線某個點的斜率體現SQUID在該點輸入一個微小磁通變化產生電壓響應的能力，稱為該點的磁通-電壓傳輸率。SQUID在某個點的傳輸率越大，用它做工作點構成線性的磁傳感器所獲得的噪聲越低。

SQUID磁傳感器就是依賴上述SQUID磁通-電壓傳輸特性應用磁通-電壓鎖定原理來實現磁通檢測的，並將檢測到的磁通線性轉換成電壓信號，構成基於SQUID的高靈敏度低噪聲磁傳感器。基於磁通-鎖定環路的SQUID磁傳感器的典型結構如圖2所示。圖3為SQUID磁傳 感器在工作點處的傳輸特性曲線示意圖。從SQUID磁傳感器的典型原理圖可以看出，這是一種負反饋迴路，電路處於動態平衡狀態，即通過積分器調整輸出反饋電流，始終跟蹤抵消外部輸入的被測磁通，使得SQUID始終穩定在工作零點上。所述工作零點就是在SQUID磁通電壓傳輸特性曲線上選取一個特性點，該特性點磁通-電壓傳輸率最大，且工作點兩邊有一定的區間使得SQUID磁傳感器電路能保持負反饋；當發生偏離工作點的波動時，只要在該區間內，負反饋迴路就能自動回復平衡，使SQUID狀態重新回到工作點上。

上述磁通鎖定環結構是一種典型的應用非線性磁敏元件實現磁通-電壓線性轉換的方案，其工作原理是：選擇SQUID磁通-電壓傳輸特性其中一個工作點，在工作點處，SQUID輸出電壓為零，積分器沒有積分，所有輸出穩定，達到負反饋的穩定狀態。當外部被測磁通發生變化，SQUID感應的磁通偏離工作點，並根據磁通-電壓傳輸特性曲線輸出電壓，該電壓經前置放大送入積分器，積分器根據輸入電壓大小積分調製輸電電壓，該調製後的輸出電壓驅動反饋電阻產生反饋電流If，反饋電流通過反饋電感Lf與磁敏感元件SQUID的互感Mf產生抵消磁通，抵消外部輸入的磁通，使得整個負反饋環路恢復平衡，SQUID狀態回到工作點保持穩定。從磁通鎖定環的負反饋工作過程可知，輸入的被測磁通大小與抵消磁通始終相同，因此被測磁通大小產生抵消磁通的積分器輸出電壓成比例關係，只要檢測積分器的輸出電壓，即可獲知外部被測磁通的大小，SQUID磁傳感器就是利用該原理實現磁通-電壓的線性轉換的。從SQUID磁傳感器的工作原理可知，傳感器利用SQUID工作點處的磁通-電壓轉換特性維持負反饋平衡，完成磁通-電壓的線性轉換。

SQUID器件在構建磁傳感器中存在以下問題：SQUID磁通-電壓傳輸率不夠，使傳感器噪聲由前置放大器噪聲主導。SQUID器件的信號微弱，需要通過低噪聲前置放大器將信號放大，再驅動積分器和磁通負反饋迴路，形成磁通鎖定環。由於SQUID工作在低溫環境下，具有很低的噪聲，而與其匹配的前置放大器採用半導體電路構成，且工作在低溫環境下，其電壓噪聲遠高於SQUID的本徵噪聲，使得SQUID磁傳感器噪聲性能由前置放大器主導，SQUID器件低噪聲性能得不到充分發揮，主要原因是SQUID器件磁通電壓傳輸率不足。SQUID器件工作在低溫環境下(低溫超導材料製作的SQUID通常工作在4.2K液氦環境下，高溫超導材料製作的SQUID通常工作在77K的液氮環境下)，具有很低的噪聲，典型的磁通噪聲低於SQUID的磁通-電壓傳輸率通常能達到100μV/Φ0。SQUID前置放大器採用半導體放大器，在室溫環境下，放大器典型的電壓噪聲為因此前置放大器引入的等效磁通噪聲為可見放大器引入的噪聲遠大於 SQUID本徵的噪聲，產生了SQUID器件與前置放大器噪聲不匹配的問題。

為了解決噪聲匹配問題，目前已有的方案是引入兩級SQUID放大的設計，即採用兩個SQUID器件，第一個SQUID檢測被測磁場輸出的信號再經第二個SQUID器件進行放大，通過兩級放大使總的磁通-電壓傳輸率得到增強，從而和常溫下的半導體前置放大器匹配，實現低噪聲。採用兩級SQUID放大，信號放大在低溫下採用具有相同低噪聲性能的第二級SQUID來實現放大，可實現很低的噪聲，是目前最佳的構建高性能SQUID磁傳感器的方案。

目前已有的兩級SQUID放大方案有兩種：

第一種方案為：兩個SQUID簡單級聯，如圖4所示，其中，SQUID1和SQUID2都具有如圖5所示的相同的周期非線性傳輸特性，因此兩個SQUID級聯後的磁通-電壓傳輸特性曲線如圖6所示。該方案產生的問題是傳輸特性在一個周期內同時存在多個特性不同的工作零點，其中只有一個工作零點具有最佳的磁通-電壓傳輸率。SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線是周期重複的，一個周期內只有一個可鎖定的工作點，才能保證SQUID傳感器性能的一致性。如果在一個周期內有不同的工作零點，且不同零點處磁通-電壓傳輸率不同，那麼SQUID傳感器鎖定後性能將因鎖定點不同，造成傳感器性能不一致。在實際應用中，由於工作點難以選擇，因此無法使傳感器達到最佳性能。

第二種方案為：利用第2級SQUID及其放大電路構成的線性磁探測器來實現信號放大，即將第二級SQUID放大電路線性化來解決方案一中的工作點多值問題。由於第二級SQUID構成了磁通鎖定環路，其傳輸特性是線性的，因此合成的磁通-電壓傳輸特性可以避免工作點多值問題。但由於該第二級放大採用的是一個SQUID磁通鎖定環路，其輸出接入積分器和反饋迴路形成完整的傳感器電路，形成了雙環路結構的負反饋系統，而雙環路結構的負反饋系統的穩定性差，第二級SQUID的磁通鎖定環路本身容易出現失鎖，發生工作點跳變，這將引起整個傳感器磁通鎖定環路失鎖，以至於無法正常工作。因此磁通鎖定環路的失鎖問題，及兩個負反饋環路的運行匹配問題，使得該方案在實際使用中穩定性差，難以實用化。此外，該方案將第二級SQUID採用磁通鎖定環路實現傳輸特性線性化，其帶寬有限，難以實施磁通調製方式進行1/f噪聲抑制，因此構建的磁傳感器低頻噪聲性能無法得到改善。

在低溫環境下使用SQUID進行二次放大抑制常溫放大器的噪聲技術，是充分發揮SQUID低噪聲特性，提高SQUID磁傳感器性能的重要手段，由於面臨上述技術問題，嚴重限制了該傳感器的應用。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種雙級超導量子幹涉器放大裝置、方法及SQUID磁傳感器，用於解決現有雙級SQUID放大技術中工作點多值性，工作穩定性差的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種雙級超導量子幹涉器放大裝置，所述雙級超導量子幹涉器放大裝置包括：調製模塊，將一固定頻率的方波調製信號轉換成調製磁通；第一級超導量子幹涉器，與所述調製模塊耦合相連，用於探測外部磁通信號獲得被測磁通，同時利用耦合的所述調製磁通將所述被測磁通的電壓輸出調製成被調製電壓信號；所述被調製電壓信號的幅度同所述第一超導量子幹涉器對被測磁通的響應電壓相關；所述被調製電壓信號的頻率和相位與所述調製磁通同步；整形轉換模塊，與所述第一超導量子幹涉器相連，將所述被調製電壓信號進行轉換整形，輸出調整磁通信號；自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊，包括一與所述整形轉換模塊耦合相連的第二級超導量子幹涉器，響應所述調整磁通信號，輸出對應放大的調整電壓信號；解調模塊，與所述具有回滯特性自復位的磁通探測器和調製模塊分別相連，利用所述方波調製信號對所述調整電壓信號進行解調，輸出與所述被測磁通對應的雙級放大的檢測電壓信號。

可選地，所述調製模塊進一步包括：方波發生器，生成所述固定頻率的方波調製信號；幅度調節單元，與所述方波發生器相連，將所述方波調製信號轉換成調製電流；調製單元，與所述幅度調節單元相連，將所述調製電流轉換成調製磁通。

可選地，所述整形轉換模塊進一步包括：第一轉換單元，與所述第一超導量子幹涉器相連，將所述被調製電壓信號轉換成被調製電流信號；整形單元，與所述第一轉換單元相連，對所述被調製電流信號進行整形，使所述被調製電流信號的上升和下降跳變邊沿變緩，消除毛刺；第二轉換單元，與所述整形單元相連，將整形後的被調製電流信號轉換成調整磁通信號。

可選地，所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊是採用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路來實現自復位回滯的傳輸特性的。

本發明還提供一種雙級超導量子幹涉器放大方法，所述雙級超導量子幹涉器放大方法包括：將一固定頻率的方波調製信號轉換成調製磁通；利用一第一級超導量子幹涉器探測外部磁通信號獲得被測磁通，同時耦合所述調製磁通，並將所述被測磁通的電壓輸出調製成被調製電壓信號；所述被調製電壓信號的幅度同所述第一超導量子幹涉器對被測磁通的響應電壓相關；所述被調製電壓信號的頻率和相位與所述調製磁通同步；將所述被調製電壓信號進行轉換整形，輸出調整磁通信號；利用一自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換 模塊響應所述調整磁通信號，輸出對應放大的調整電壓信號；利用所述方波調製信號對所述調整電壓信號進行解調，輸出與所述被測磁通對應的雙級放大的檢測電壓信號。

可選地，所述雙級超導量子幹涉器放大方法進一步包括：利用一方波發生器生成所述固定頻率的方波調製信號；利用一幅度調節單元將所述方波調製信號轉換成調製電流；利用一調製單元將所述調製電流轉換成調製磁通。

可選地，所述雙級超導量子幹涉器放大方法進一步包括：利用一第一轉換單元將所述被調製電壓信號轉換成被調製電流信號；利用一整形單元對所述被調製電流信號進行整形，使所述被調製電流信號的上升和下降跳變邊沿變緩，消除毛刺；利用一第二轉換單元將整形後的被調製電流信號轉換成調整磁通信號。

可選地，所述雙級超導量子幹涉器放大方法進一步包括：採用電壓欠反饋SQUID電路實現所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊；或採用電流欠反饋SQUID電路實現所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊。

本發明還提供一種SQUID磁傳感器，所述SQUID磁傳感器包括：權利要求1至4任意一項所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置，積分器，反饋電阻，和反饋電感；所述反饋電阻與所述積分器和所述反饋電感分別相連；所述雙級超導量子幹涉器放大裝置的輸入端與所述反饋電感耦合相連，所述雙級超導量子幹涉器放大裝置的輸出端與所述積分器相連。

如上所述，本發明所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置、方法及SQUID磁傳感器，具有以下有益效果：

本發明不但解決了雙級SQUID放大技術中工作點多值性以及工作穩定性的問題，還解決了1/f噪聲抑制的技術問題，實現了SQUID高性能磁傳感器重要的技術突破。

附圖說明

圖1為典型的SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖2為基於磁通-鎖定環路的SQUID磁傳感器的典型結構示意圖。

圖3為SQUID磁傳感器在工作點處的傳輸特性示意圖。

圖4為簡單的雙級SQUID磁通-電壓轉換模塊的結構示意圖。

圖5為單個SQUID的周期非線性傳輸特性曲線示意圖。

圖6為兩個SQUID級聯後的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖7為採用基於SQUID磁通鎖定環路作為第二級放大的雙級SQUID磁通-電壓轉換模塊的結構示意圖。

圖8a為本發明實施例所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置的實現結構框圖。

圖8b為本發明實施例所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置的一種電路實現結構示意圖。

圖8c為本發明實施例所述的整形轉換模塊輸出的被調製電流信號的波形示意圖。

圖9a為本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的一種實現結構示意圖。

圖9b為本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的信號檢測過程示意圖。

圖9c為SQUID磁探測器的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖9d為回滯自復位的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖10a為本發明實施例所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置的另一種電路實現結構示意圖。

圖10b為本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的另一種實現結構示意圖。

圖10c為SQUID磁探測器的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖10d為回滯自復位的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖11為本發明實施例所述的方波調製信號的波形示意圖。

圖12為本發明實施例所述的方波調製信號的調製原理示意圖。

圖13為本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的磁通-電壓傳輸特性示意圖。

圖14為本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊對於幅度小於一個磁通量子的磁通信號的響應示意圖。

圖15a為本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊對於幅度大於一個磁通量子以上的正向變化的磁通信號的響應示意圖。

圖15b本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊對於幅度大於一個磁通量子以上的反向變化的磁通信號的響應示意圖。

圖15c本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊對於幅度大於一個磁通量子以上的正反雙向變化的磁通信號的響應示意圖。

圖16為本發明實施例所述的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊針對交流磁通信號的探測特性示意圖。

圖17為本發明實施例所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置的磁通-電壓傳輸特性示意圖。

圖18為本發明實施例所述的SQUID磁傳感器的實現結構示意圖。

圖19為本發明實施例所述的雙級超導量子幹涉器放大方法的一種實現流程示意圖。

元件標號說明

800 雙級超導量子幹涉器放大裝置

810 調製模塊

811 方波發生器

812 幅度調節單元

813 調製單元

820 第一級超導量子幹涉器

830 整形轉換模塊

831 第一轉換單元

832 整形單元

833 第二轉換單元

840 自復位且傳輸特性回滯的第二

SQUID磁通-電壓轉換模塊

841 第二級超導量子幹涉器

850 解調模塊

851 相位調節單元

852 乘法器

S1～S5 步驟

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

SQUID是極低噪聲的磁敏感元件，由於磁通-電壓傳輸率不足，與常溫下工作的半導體低噪聲放大器不匹配，使得SQUID磁傳感器噪聲性能被前置放大器噪聲所主導，未能充分發揮SQUID低噪聲性能。為了發揮SQUID低噪聲性能，需要引入兩種技術：1、兩級SQUID低噪聲放大技術，提升磁通-電壓傳輸率。其遇到的困難是兩個SQUID級聯放大，傳輸特性出現周期內工作點多值問題，難以控制傳感器工作在最佳工作點上。2、磁通調製信號檢測放大技術，抑制前置放大器的低頻1/f噪聲。其遇到的困難是用磁通鎖定環路將第2級SQUID放大器傳輸特性線性化，存在工作穩定性問題，同時也難以實施磁通調製1/f噪聲抑制技術。因此，低噪聲SQUID磁傳感器面臨實用化的技術難題。本發明實現了兩級SQUID放大和磁通調製技術，解決了工作點多值和工作穩定問題，同時抑制了前置放大器的白噪聲和1/f噪聲，使得SQUID性能得到充分發揮，實現了實用化的高性能SQUID磁傳感器，是SQUID磁傳感器關鍵的技術突破。本發明通過技術改進，解決了雙級SQUID放大的問題，推進了基於雙級放大的SQUID磁傳感器的實用化。

下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。

實施例

本實施例提供一種雙級超導量子幹涉器放大裝置，如圖8a所示，所述雙級超導量子幹涉器放大裝置800包括：調製模塊810，第一級超導量子幹涉器820，整形轉換模塊830，自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊840，解調模塊850。

所述調製模塊810將一固定頻率的方波調製信號轉換成調製磁通。其一種具體實現方式為：生成一固定頻率的方波調製信號，將所述方波調製信號轉換成調製電流，將所述調製電流轉換成調製磁通。所述方波調製信號的頻率可根據實際電路響應能力而定，如可選擇1k～1MHz。所述方波調製信號的佔空比也可根據實際情況選擇，效果最優的是佔空比為50％的方波信號，當然佔空比為49％、48％、47％等的方波信號也可以實現本發明所要達到的目的，只是效果會稍微差些而已。因此，本發明的保護範圍不限於所述方波調製信號的佔空比。以下本實施例以佔空比為50％的方波調製信號為例對本發明的具體實現方案做進一步描述。

進一步，如圖8b所示，所述調製模塊810的一種具體實現結構包括：方波發生器811，幅度調節單元812，調製單元813。所述方波發生器811生成一佔空比為50％的固定頻率的方波調製信號。所述幅度調節單元812與所述方波發生器811相連，將所述方波調製信號轉換成調製電流。所述調製單元813與所述幅度調節單元812相連，將所述調製電流轉換成調製磁通。

所述第一級超導量子幹涉器820與所述調製模塊810耦合相連，用於探測外部磁通信號 獲得被測磁通，同時利用耦合的所述調製磁通將所述被測磁通的電壓輸出調製成固定頻率的被調製電壓信號；所述被調製電壓信號的幅度同所述第一超導量子幹涉器對被測磁通的響應電壓相關；所述被調製電壓信號的頻率和相位與所述調製磁通同步。方波調製磁通(即所述調製磁通)和被測磁通同時輸入第一SQUID(即第一級超導量子幹涉器820)，基於第一SQUID的磁通-電壓傳輸特性，輸出被調製後的電壓信號(即被調製電壓信號)。該被調製電壓信號的頻率和相位與調製磁通同步，幅度同第一SQUID對被測磁通的響應電壓相關。

所述整形轉換模塊830與所述第一超導量子幹涉器820相連，將所述被調製電壓信號進行轉換整形，輸出調整磁通信號。其一種具體實現方式為：將所述被調製電壓信號轉換成被調製電流信號，並對所述被調製電流信號進行整形，使所述被調製電流信號的上升和下降跳變邊沿變緩，消除毛刺，參見圖8c所示；再將整形後的被調製電流信號轉換成調整磁通信號。被調製電壓信號送入整形轉換模塊。所謂轉換，即通過一個並聯的電阻和電感的迴路，將第一SQUID輸出的電壓信號轉換成迴路電流(即被調製電流信號)。所謂整形，即將迴路電流通過由電阻和電感構成的網絡進行濾波，將迴路電流(也是被調製後的方波電流信號)的上升和下降跳變邊沿變緩，消除毛刺，以利於第二SQUID電路(即自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊840)響應。迴路電流通過串接在迴路中的電感，將電流轉換成磁通輸出，輸出磁通的放大強度由該轉換電感與第二SQUID的耦合互感M12來決定，一般要求放大10倍以上；這樣，第一SQUID電路(即第一級超導量子幹涉器820與整形轉換模塊830構成的電路)本質上完成是：檢測被測磁通，並在調製磁通作用下，輸出整形、放大後的被調製磁通信號(即所述調整磁通信號)。第一SQUID電路的磁通輸出耦合到第二SQUID電路中，實現了磁通-電壓轉換。

進一步，如圖8b所示，所述整形轉換模塊830的一種具體實現結構包括：第一轉換單元831，整形單元832，第二轉換單元833。所述第一轉換單元831與所述第一超導量子幹涉器820相連，將所述被調製電壓信號轉換成被調製電流信號。所示整形單元832與所述第一轉換單元831串聯，對所述被調製電流信號進行整形，消除所述被調製電流信號中的毛刺，使所述被調製電流信號的上升沿變緩。所述第二轉換單元833與所述整形單元832串聯，將整形後的被調製電流信號轉換成調整磁通信號。圖8b給出的是以電路方式實現的整形轉換模塊830的一種電路結構，其中第一轉換單元831為電阻，整形單元832為線圈，第二轉換單元833也為線圈。所述整形轉換模塊830還可以以數字電路、或軟體等其它現有技術方式實現，因此本發明的保護範圍不限於所述整形轉換模塊830的具體實現結構。

所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊840，包括與所述整形轉換 模塊耦合相連的第二級超導量子幹涉器841，響應所述調整磁通信號，輸出對應放大的調整電壓信號。所述第二SQUID磁通-電壓轉換模塊840保證了所述第二級超導量子幹涉器的工作點的穩定性。

進一步，所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊可以採用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路來實現自復位回滯的傳輸特性，也可以採用其他現有技術方案來實現自復位回滯的傳輸特性。

如圖9a所示，採用電壓欠反饋SQUID電路實現的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的電路結構是：給SQD2加載電流Ib2，使得SQD2具有了磁通-電壓傳輸特性，SQD2輸出電壓Vs接入比例放大器U1，比例放大器U1是低噪聲的增益為G0的給定放大倍數的放大器。放大器U1的輸出端連接反饋電阻Rf和反饋電感Lf，構成反饋磁通迴路。可調直流電壓Vdc驅動電阻Rdc產生可調的直流電流注入電感Lf，產生直流調節磁通，調節SQUID 2磁通探測器的SQUID直流磁通大小，使得探測器SQUID 2以其傳輸特性的中心來檢測第一級SQUID電路(包括第一級超導量子幹涉器820和整形轉換模塊830)輸出的交流調製磁通信號(即調整磁通信號)，檢測過程參見圖9b所示。

電壓欠反饋迴路實現回滯特性的自復位SQUID磁探測器的工作原理是：放大器U1將SQD1輸出的電壓放大後驅動反饋磁通迴路(包括反饋電阻Rf和反饋電感Lf)，產生反饋磁通抵消輸入磁通，由於放大器U1是有限增益的，因此產生的抵消磁通只能抵消部分輸入磁通，當外部輸入磁通達到一個磁通量子時，這種欠補償反饋達到臨界狀態而失衡，平衡點躍變到下一個工作點，重新建立欠反饋平衡。

電壓欠反饋迴路通過設定電路的參數：包括比例放大器增益G0，反饋電阻Rf及Mf，當滿足以下臨界條件時，可實現圖9d所示的回滯自復位的磁通-電壓傳輸特性曲線。臨界條件如下：

<![CDATA[ Φ pp + V pp G 0 M f R f = 2 Φ 0 ]]>

其中，如圖9c所示，Vpp為SQD2磁通-電壓傳輸特性中SQUID所能響應輸出的電壓的最大值，即峰-峰值；Φpp為SQD2磁通電壓傳輸特性曲線中電壓從最小峰值到最大峰值所對應輸入的磁通量。因此，上述電路參數滿足此方程，即可實現如圖9d所示的傳輸特性。

如圖10a所示，採用電流欠反饋SQUID電路實現的自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的電路結構是：SQUID器件SQD2與反饋電感Lf的耦合互感為Mf，當 SQD2有電流流過時，該電流也流過電感Lf，產生反饋磁通，通過互感耦合到SQD2所在的SQUID磁通鎖定環路中，形成電流欠反饋。SQD2接入運算放大器U1的負輸入端，電阻Rf跨接在運算放大器U1的負輸入端和輸出端之間，將流經SQD2的電流Is放大成電壓信號，即放大器輸出電壓VO＝Is×Rf。運算放大器U1的正輸入端接可調直流電源Vb，調節可調直流電源Vb產生偏置電壓。運算放大器U1工作時，其正輸入端的電壓與負輸入端的電壓相等，因此SQD2工作在恆壓偏置下，偏置電壓大小由Vb調節。調節合適的偏置電壓Vb的電壓值，SQUID器件SQD2具有了在恆壓偏置下的磁通-電流傳輸特性，因此SQD2感應磁通信號，產生電流Is，流經SQD2的電流通過電阻Rf放大轉換成電壓。流經SQD2的電流流入電感Lf產生反饋磁通，構成基於電流的磁通欠反饋迴路，與上述基於電壓欠反饋形成回滯磁通-電壓傳輸特性類似，當SQD2的磁通-電流傳輸特性、串聯電感同SQD2互感匹配達到臨界條件時，就可構成傳輸特性回滯自復位的磁通-電壓傳輸特性。電流欠反饋SQUID電路涉及的關鍵參數是電感Lf與SQUID2的互感Mf，當滿足以下臨界條件時，可實現圖10d所示的回滯自復位的磁通-電壓傳輸特性曲線。臨界條件如下：

Φpp+Ipp·Mf＝2Φ0

其中，如圖10c所示，Ipp為SQD2在電壓偏置下的磁通-電流特性曲線中SQUID所能響應輸出的電流的峰-峰值；Φpp為SQD2磁通-電流傳輸特性曲線中電流從最小峰值到最大峰值所對應輸入的磁通量。因此，上述電路參數滿足此方程，即可實現如圖10d所示的傳輸特性。

圖10a中可調直流電壓Vdc和直流電阻Rdc的作用與圖9a所示方案相同，產生可調的直流電流流經電感Lf，產生直流調節磁通，調節SQUID 2磁探測器的SQUID直流磁通，使得探測器SQUID 2以其傳輸特性的中心來檢測第一級SQUID電路(包括第一級超導量子幹涉器820和整形轉換模塊830)輸出的交流調製磁通信號(即調整磁通信號)。

第二SQUID磁通-電壓轉換模塊實現的傳輸特性特點是：1)自復位，即輸入達到正或負一個磁通量子時，工作點自動跳變到相鄰工作點上，傳輸特性自動跳變到相鄰工作點對應的傳輸特性。因此每個工作點對應傳輸特性覆蓋的測量範圍是±Φ0。2)回滯，由於每個工作點對應傳輸特性的覆蓋範圍是±Φ0，而工作點周期分布，即相鄰一個磁通量子對應一個工作點，因此對應的該傳輸特性是周期分布的，因此兩條傳輸特性由重疊覆蓋的檢測區。因而對於不同方向變化的輸入磁通(圖中突出顯示標出)，其響應將對應不同的傳輸特性，就是這個特性，使得對幅度大於Φ0的被調製信號的檢測就不會出現為零或反相的問題。

這樣，經過兩個模塊的級聯，即級聯的第一SQUID電路和第二SQUID電路，實現了傳輸特性放大的磁通-電壓轉換，也就是說級聯的第一SQUID電路和第二SQUID電路構成了傳輸特性放大的磁通-電壓轉換模塊。

所述解調模塊850與所述具有回滯特性自復位的磁通探測器840和調製模塊810分別相連，利用所述方波調製信號對所述調整電壓信號進行解調，輸出與所述被測磁通對應的雙級放大的檢測電壓信號。所述解調模塊850將兩級SQUID對輸入的被測磁通的響應電壓解調輸出。

進一步，如圖8b所示，所述解調模塊850的一種具體實現結構包括：相位調節單元851，乘法器852。所述相位調節單元851包括相位調節電阻和相位調節電容；相位調節電阻的一端與所述調製模塊相連，所述相位調節電容的一端與所述相位調節電阻的另一端相連，所述相位調節電容的另一端接地。所述乘法器852與所述相位調節電阻的另一端和所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的輸出端分別相連，恢復出與所述被測磁通對應的雙級放大的檢測電壓信號。圖8b給出的是以電路方式實現的解調模塊850的一種電路結構，其中相位調節單元851為電阻和電容組成的電路。所述解調模塊850還可以以數字電路、或軟體等其它現有技術方式實現，因此本發明的保護範圍不限於所述解調模塊850的具體實現結構。

具體地，所述方波調製信號通過幅度調節單元Rmod產生調製電流Imod。調製電流Imod輸入調製單元Lmod中，產生調製磁通Φmod。調製磁通Φmod耦合到信號探測器SQUID 1(簡寫為SQD1，即第一級超導量子幹涉器820)中，用以調製SQUID 1感應被測磁通Φin的電壓輸出Vout，將被測磁通Φin的電壓輸出Vout調製成設定頻率的被調製電壓信號。所述被調製電壓信號的幅度與所述第一超導量子幹涉器響應被測磁通的電壓值相關；所述被調製電壓信號的頻率和相位與所述調製磁通同步。調節可調電阻Rmod的大小，可調節流入電感Lmod的電流，實現調製磁通Φmod的幅度的調節。調節調製磁通Φmod的幅度，使得SQUID 1感應被測磁通輸出電壓信號的調製幅度達到最大。

加入到SQUID 1的調製磁通Φmod是方波信號，方波佔空比為50％，即一個周期內，一半時間給SQUID 1加載0狀態的磁通，另一半時間給SQUID 1加載1狀態的磁通，兩個狀態下，SQUID 1對應兩個相位的磁通-電壓傳輸特性曲線，使得SQUID 1用兩個不同的狀態下的磁通-電壓傳輸特性切換工作，如圖11所示。在圖11所示的磁通信號調製作用下，SQUID 1響應外磁通(即被測磁通Φin)的電壓輸出就調製成了方波狀態，即被調製電壓信號。被調製電 壓信號的幅度為SQUID 1響應輸入磁通(即被測磁通Φin)的電壓值，被調製電壓信號的頻率和相位與所述調製磁通同步。調製原理如圖12所示，在方波調製磁通Φmod的作用下，SQUID 1在兩個不同相位的磁通-電壓傳輸特性曲線下切換工作，將感應被測磁場的電壓輸出調製成方波信號。經SQUID 1調製後的被調製電壓信號送入整形轉換模塊830。

整形轉換模塊830通過電阻Rs(即第一轉換單元831)將SQUID 1輸出的被調製電壓信號轉化成被調製電流信號，並通過電感L1(即整形單元832)對被調製電流信號進行整形，消除方波調製後的信號(即被調製電流信號)中的毛刺，並將被調製電流信號的上升沿變緩，以配合第二級SQUID放大電路(即自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊)做出響應。整形轉換模塊830將經過整形的被調製電流信號通過電感L2(即第二轉換單元833)轉換成調整磁通信號，使所述調整磁通信號耦合到第二級SQUID放大電路中。電感L2與SQUID 2(簡稱為SQD2)耦合的互感是M2。電阻Rs用於將SQUID 1感應的電壓轉換成電流。為了確保SQUID 1的工作點，SQUID 1的取值必須與SQUID 1的動態電阻Rs相匹配，SQUID 1產生的電壓信號驅動該電阻Rs將電壓轉化成電流。電感L2將流過的電流轉換成磁通耦合到後端的磁探測器SQUID 2中。L1與L2總和的電感與電阻Rs串聯構成了電流的低通濾波器，即高頻的電流信號將會得到抑制，實現SQUID探測方波信號的濾波和正弦，避免高頻毛刺，同時使得轉換輸出的信號能與後續的SQUID磁探測器帶寬相匹配。

本發明解決了常規雙級SQUID放大模塊面臨的技術問題，成功將雙級SQUID放大和調製解調技術實現了結合，解決了工作點多值問題和磁-電轉換穩定性問題，實現了低噪聲放大，提高了模塊的磁通-電壓傳輸率，達到了與前置放大器噪聲的匹配，抑制了前置放大器的1/f噪聲，充分發揮了SQUID低噪聲的特性。利用本發明實現的磁通-電壓轉換模塊構建SQUID磁傳感器在白噪聲和1/f噪聲方面都具有更好的性能。

本發明採用SQUID構建具有回滯特性自復位的磁通探測器(即自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊)，用於檢測由前級電路產生的整形後的調整磁通信號，將調整磁通信號轉換成放大的調整電壓信號。自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的磁通-電壓傳輸特性如圖13所示。自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊對磁通信號的響應特性分析如下：

1)對於幅度小於一個磁通量子的磁通信號的響應，如圖14所示，自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊利用其在正負一個磁通量子範圍內的連續的傳輸特性對磁通信號進行同頻同相放大。

2)對於幅度大於一個磁通量子以上的磁通信號的響應，如圖15a至圖15c所示，自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊響應輸出信號出現了非線性，但是其響應輸出的調整電壓信號的幅度不為零，且與輸入的調整磁通信號同頻同相。因此當輸入的調整磁通信號的幅度大於1個磁通量子以上時，自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的輸出不會出現輸出為零或者反相放大的情況。所述第二SQUID磁通-電壓轉換模塊的傳輸特性是周期分布(間隔一個磁通量子)的，且每個周期的傳輸特性對應的最大輸入範圍為2個磁通量子；輸入超過兩個磁通量子，就跳變到相鄰的傳輸特性上進行響應。正是這種特性(即幅度正方向或負方向超過一個磁通量子，傳輸特性就跳變)，產生了回滯特性，對於調製信號的響應就有特殊效應，圖15a至圖15c所示。

因此，本發明採用自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊(簡稱探測器)檢測第一級SQUID電路(包括第一級超導量子幹涉器820和整形轉換模塊830)輸出的被調製的交流磁通(即調整磁通信號)，並將調整磁通信號轉化並放大成同頻同相的交流電壓信號(即調整電壓信號)。其特點是：當輸入被調製的交流磁通(即調整磁通信號)的幅度小於一個磁通量子時，自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊利用其在正負一個磁通量子範圍內的連續的傳輸特性進行同頻同相放大；對於幅度大於一個磁通量子的交流磁通，探測器會對響應交流磁通獲得的交流調製信號(即交流電壓信號或調整電壓信號)的上升沿和下降沿通過不同的傳輸特性曲線進行非線性放大，因此能輸出與輸入交流磁通同頻同相的電壓信號，雖然對交流調製信號的幅度放大出現了非線性，但不會出現過零或反相，因此避免了傳統SQUID磁探測器傳輸特性的工作零點多值問題。

所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊針對交流磁通信號的探測特性可以用圖16所示的傳輸特性來描述。傳輸特性曲線的橫軸是輸入的交流磁通幅度，縱軸是放大輸出信號的幅度。通過該傳輸特性圖，可以反映出該自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊對交流磁通放大的特性。

總之，自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊具有如下特點：

1、該探測器自動復位，不存在工作穩定性問題。

2、具有傳輸特性回滯的特點，能根據輸入被調製的交流磁通信號採用不同的傳輸特性進行電壓轉換，不會出現對大於一個磁通量子的交流磁通信號響應輸出為零或相位反相的問題。該特性解決了SQUID級聯放大中最難處理的工作零點多值問題。

3、該自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊並不要求具有線性的磁通-電壓傳輸特性，只要具有放大能力，使得SQUID工作點附近的磁通-電壓傳輸率得到提高即 可。

因為當所述雙級超導量子幹涉器放大裝置最終應用在SQUID磁傳感器中時，SQUID磁傳感器在鎖定後是穩定在第一級超導量子幹涉器的工作零點上的。在第一級超導量子幹涉器工作零點附近，會輸出很小的調製磁通信號供第二SQUID磁通檢測器(即自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊)放大，因此採用所述雙級超導量子幹涉器放大裝置的SQUID磁傳感器在鎖定工作時，體現的是其對幅度小於一個磁通量子交流磁通信號的探測能力。對於調製幅度大於一個磁通量子的信號，雖然是非線性放大，只要避免出現過零和反相問題，就不影響應用。因為只有在SQUID磁傳感器啟動進入鎖定工作過程中，由於SQUID磁傳感器負反饋環路還未使第一SQUID穩定到工作點，在工作點調整到穩定的過程中，會出現大於一個磁通量子的交流磁通信號，只要第二SQUID磁探測器出現增益為零和反相情況，就不會使SQUID磁傳感器負反饋環路鎖定。因此迫使反饋環路鎖定到唯一的第一SQUID的工作零點上。一旦穩定到工作點上，該SQUID磁傳感器就工作在小幅度交流磁通信號放大模式，只對工作點附近的小幅度交流磁通信號進行放大。

本發明所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置輸入被檢測外部磁通信號(簡稱被測磁通)，經過調製、放大、檢測、解調過程，最後輸出放大後的電壓響應。輸入被測磁通與解調輸出電壓之間形成如圖17所示的磁通-電壓傳輸特性。從圖17可知，本發明所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置實現的磁通電壓傳輸特性為：以一個磁通量子為周期，在單個周期內只有唯一的具有最大磁通-電壓傳輸率的工作點，如圖中Wa或Wb所示，Wa或Wb的選擇取決於磁通反饋迴路的極性，滿足負反饋要求即可。

本發明所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置具有如下特點：

1、傳輸特性保持與第一級超導量子幹涉器傳輸特性相同的周期性，且周期內只有單一的工作零點。

2、工作零點處的磁通-電壓傳輸率得到了放大，實現了低噪聲放大SQUID檢測信號的目的，達到了與前置放大器噪聲匹配的要求。

3、由於後級的SQUID檢測放大器(即自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊)不存在失鎖問題，因此整體雙級超導量子幹涉器放大裝置的傳輸特性穩定可靠。

4、基於磁通調製和解調過程，有效抑制了傳統的前置放大器的1/f噪聲，獲得了更好的低頻噪聲性能。

本實施例還提供一種SQUID磁傳感器，如圖18所示，包括雙級超導量子幹涉器放大裝置800，積分器、反饋電阻、和反饋電感。所述雙級超導量子幹涉器放大裝置的輸入端與所 述反饋電感耦合相連，所述雙級超導量子幹涉器放大裝置的輸出端與所述積分器相連。反饋電阻與所述積分器相連，反饋電感與所述反饋電阻串聯。所述雙級超導量子幹涉器放大裝置800的具體結構及工作原理參見前文所述，在此不再重複。

本發明還提供一種雙級超導量子幹涉器放大方法，該方法可以由本發明所述的雙級超導量子幹涉器放大裝置實現，但本發明所述雙級超導量子幹涉器放大方法的實現結構包括但不限於本實施例列舉的雙級超導量子幹涉器放大裝置。

如圖19所示，所述雙級超導量子幹涉器放大方法包括：

S1，將一固定頻率的方波調製信號轉換成調製磁通。所述方波調製信號的頻率可根據實際電路響應能力而定，如可選擇1k～1MHz。所述方波調製信號的佔空比也可根據實際情況選擇，效果最優的是佔空比為50％的方波信號，當然佔空比為49％、48％、47％等的方波信號也可以實現本發明所要達到的目的，只是效果會稍微差些而已。因此，本發明的保護範圍不限於所述方波調製信號的佔空比。

進一步，所述步驟S1的一種具體實現過程包括：利用一方波發生器生成所述固定頻率的方波調製信號；利用一與所述方波發生器相連的幅度調節單元將所述方波調製信號轉換成調製電流；利用一與所述幅度調節單元相連的調製單元將所述調製電流轉換成調製磁通。本發明的保護範圍不限於步驟S1的具體實現器件的結構以及所述方波調製信號的佔空比大小。

S2，利用一第一級超導量子幹涉器探測外部磁通信號獲得被測磁通，同時耦合所述調製磁通，並將所述被測磁通的電壓輸出調製成固定頻率的被調製電壓信號；所述被調製電壓信號的幅度與所述第一超導量子幹涉器響應被測磁通的電壓值相關；所述被調製電壓信號的頻率和相位與所述調製磁通同步。

S3，將所述被調製電壓信號進行轉換整形，形成調整磁通信號。

進一步，所述步驟S3的一種具體實現過程包括：將所述被調製電壓信號轉換成被調製電流信號，並對所述被調製電流信號進行整形，使所述被調製電流信號的上升和下降跳變邊沿變緩，消除毛刺；再將整形後的被調製電流信號轉換成調整磁通信號。

如：利用一與所述第一超導量子幹涉器相連的第一轉換單元將所述被調製電壓信號轉換成被調製電流信號；利用一與所述第一轉換單元串聯的整形單元對所述被調製電流信號進行整形，消除所述被調製電流信號中的毛刺，使所述被調製電流信號的上升沿變緩；利用一與所述整形單元串聯的第二轉換單元將整形後的被調製電流信號轉換成調整磁通信號。本發明的保護範圍不限於步驟S3的具體實現器件的結構。

S4，利用一自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊響應所述調整磁通 信號，輸出對應放大的調整電壓信號。所述第二SQUID磁通-電壓轉換模塊保證了自身所包含的第二級超導量子幹涉器的工作點的穩定性。

進一步，所述步驟S4的一種具體實現過程包括：採用電壓欠反饋SQUID電路實現所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊；或採用電流欠反饋SQUID電路實現所述自復位且傳輸特性回滯的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊。本發明的保護範圍不限於步驟S4的具體實現器件的結構。

S5，利用所述方波調製信號對所述調整電壓信號進行解調，輸出與所述被測磁通對應的雙級放大的檢測電壓信號。

本發明所述的雙級超導量子幹涉器放大方法的保護範圍不限於本實施例列舉的步驟執行順序，凡是本領域技術人員利用現有技術對本發明所述方案的變形都包括在本發明的保護範圍內。

本發明實現了周期內只有一個最佳工作點，解決了雙級SQUID放大技術中工作點多值問題，保證了SQUID磁傳感器在任何狀態下的鎖定特性是一致的。第二級SQUID放大器不存在失鎖問題，SQUID磁傳感器鎖定後可穩定工作，保證了信號放大工作點的穩定性。在磁通調製下採用兩級SQUID放大，不僅抑制了前置放大器的白噪聲，更重要的是抑制了前置放大器的1/f噪聲，進一步降低了SQUID磁傳感器的低頻噪聲。低頻噪聲的性能是SQUID磁傳感器最大的性能優勢，發揮出低頻低噪聲性能對SQUID磁傳感器的應用具有重要價值。因此，本發明不但解決了雙級SQUID放大技術中工作點多值性以及工作穩定性的問題，還解決了1/f噪聲抑制的技術問題，實現了SQUID高性能磁傳感器重要的技術突破。

綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。