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在《直流超导量子干涉仪(DC-SQUID)磁控I-V特性的形成机制(1)——二端口网络模型》中,已经知道,DC-SQUID是一个由偏置电流和约瑟夫森电流驱动的二端口网络。二端口网络的传输阻抗为Z11,Z22, Z12, Z21,其中Z12 = Z21。因此,通过三个网络阻抗参数,建立二端口激励电流和响应电压的传输函数,即可推导出DC-SQUID内部频率相位锁定(Frequency-phase locking,FPL)机制的数学模型及其解析表达式 [1]。
(一)DC-SQUID的频率相位锁定机制
DC-SQUID的二端口模型,如图1 (a) 所示。一个DC-SQUID的二端口网络,具有稳定的I-V特性,意味着,在给定偏置电流Ib的驱动下,该二端口网络的端口上,可测得稳定平均(直流)电压Vs。
稳定的直流电压Vs出现在瑟夫森结的两端,其中的约瑟夫森电流便会以一个稳定的基波频率在振荡。频率-电压转换比例是一个常数,约为 0.483GHz/μV,详见《基于图(Graph)的5种电路分析方法(4)——超导约瑟夫森结电路的分析》一文。
也就是说,约瑟夫森电流是一个压控振荡器(Voltage-controlled oscillator,VCO),它激发一组交直流分量,驱动二端口网络,相应产生一组交直流约瑟夫森电压分量。
约瑟夫森电流和约瑟夫森电压中各种交直流分量的数学定义,如图1 (b) 和 (c) 所示。
约瑟夫森结电流同时还是一个混频器(Mixer)[1],它将二端口网络响应的交流电压分量,以锁相放大器(Lock-in amplifier)方式,转化为约瑟夫森电流的直流分量,如图1 (d) 所示。
两个约瑟夫森电流的直流分量,其之和(icmm)分流了部分偏置电流Ib,调整了Vs,进而调节了振荡频率ωrf;其之差(icir)抵消了部分输入磁通Φi,调节了两个约瑟夫森结间的相位差Δθdc。
最终,图1 (d)的系统,会根据给定偏置电流Ib和输入磁通Φi,以某个振荡频率ωrf和相位差Δθdc稳定运行,实现频率相位的双重锁定,输出与频率对应的稳定的电压Vs,这就是DC-SQUID的FPL机制。
图1. DC-SQUID的二端口网络模型及其FPL机制
(二)DC-SQUID磁控I-V特性的解析式
从图1 (d) 的系统模型可推导DC-SQUID磁控I-V特性的解析表达式,如图2 (a)所示。可以看到,
1)两个约瑟夫森电流的直流分量之和,即icmm,形成了一个等效电导Gcmm,如图2 (b)所示。其中,Gcmm中的一部分(Gcmm1)由网络阻抗Z11和Z22的实部决定;另一部分(Gcmm2)由阻抗Z12的实部决定,并受结间相位差 Δθdc 的调节。
2)两个约瑟夫森电流的直流分量之差,即icir,产生了一个感应磁通Φcir,使得输入磁通Φi与结间相位差Δθdc形成准线性关系,如图2 (c)所示。
最后,约瑟夫森电流产生的等效电导Gcmm,与两个约瑟夫森结并联电阻Z11(0)再并联,共同分流偏置电流Ib,进而形成了DC-SQUID的I-V特性,如图2 (d)所示。
图2. DC-SQUID磁控I-V特性的解析表达式及其解释
结合图2 (b) 中Gcmm的表达式可知,等效电导Gcmm中的Gcmm2是结间相位差Δθdc和阻抗Z12的函数;因此,输入磁通Φi 正是通过设定Δθdc改变Gcmm2,实现了对I-V特性的调制,而调制深度由阻抗Z12的实部,即Re(Z12) 决定。
该结论得到了电路数值仿真和实际器件测试的双重验证,如图3所示。
图3. 三个DC-SQUID实例的I-V特性数值仿真、解析计算与实验结果对比
(三)DC-SQUID在磁传感器电路中的等效模型
在一个如图4 (a) 所示的磁传感器电路中,DC-SQUID就表现为一个由磁控电导Gcmm和Z11(0)并联的非线性电阻;相应的等效电路,就如图4(b) 所示;该等效电路图,充分诠释了DC-SQUID作为MFET在磁传感器电路中的物理意义。
图4. DC-SQUID在磁传感器电路中的磁控电阻模型
(四)小结
DC-SQUID内部是一个以FPL机制运行的二端口网络。其中,约瑟夫森结兼具压控振荡器(VCO)和混频器(Mixer)功能,实现对二端口网络三个阻抗的锁相放大;混频输出的约瑟夫森电流直流分量,再反馈调节VCO的频率和相位。待VCO的频率和相位双重锁定后,稳定的基波频率所对应的平均电压Vs,与给定的偏置Ib和输入磁通Φi,就定义了DC-SQUID的磁控I-V特性。
一个DC-SQUID具有一个稳定的I-V特性,其含义是:
1)DC-SQUID内部的FPL机制,在给定的偏置Ib和输入磁通Φi驱动下,实现了约瑟夫森电流振荡频率和相位的锁定;锁定的基波频率与平均电压Vs相对应,其比例常数为 0.483GHz/μV。
2)DC-SQUID在外部表现为一个由磁控电导Gcmm和Z11(0)并联的非线性电阻。其中,电导Gcmm是二端口网络的三个阻抗实部的投影;部分电导Gcmm2 受到输入磁通Φi的调节,调节深度由Re(Z12)决定。
因此,DC-SQUID的FPL机制及其解析式,
1)对DC-SQUID芯片设计的启示是:通过提取DC-SQUID二端口网络的三个阻抗Z11,Z22,Z12,预测I-V特性,评估和优化版图设计。
2)对DC-SQUID磁测应用的启示是:用磁控电阻模型构造磁传感器电路,便于理解和推广。深刻理解FPL机制,理解感应阻抗、阻抗波动、传导和辐射干扰等外部因素改变I-V特性的机理,便于定位和解决SQUID在实际应用中的电磁兼容问题。
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半导体场效应管(Field effect transistor,FET)的I-V特性是电荷/电压调制的,超导MFET的I-V特性是磁通/电流调制的;二者及其应用,展现了电荷-磁通对偶关系。
理解半导体FET及其应用,便能理解超导MFET及其应用。
[1] Y. L. Wang, "Frequency-phase-locking mechanism inside DC SQUIDs and the analytical expression of current-voltage characteristics," Physica C-Superconductivity and Its Applications, vol. 609, Jun 15 2023.
[2] Y. L. Wang, " Introduction to SQUID Sensors for Electronics Engineers," arXiv:2310.00573, pp. 1-53, 2023. https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.00573.
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