基于金剛石氮空位中心的矢量磁力計的ASIC讀出電路的制作方法

本發明涉及一種基于金剛石氮空位中心的矢量磁力計的asic讀出電路，屬于電路。

背景技術：

1、目前基于量子體系的磁力計包括超導量子干涉儀（squid）、霍爾磁強計以及原子磁力計等。金剛石中的氮空位(n-v)中心也可用來實現磁場傳感器。基于n-v中心的磁力計在測量矢量磁場方面具有天然的優勢，氮-空位色心是金剛石中的一種點缺陷，它屬于固態自旋中的一種，固態體系自旋濃度相比氣態體系要高，其自旋環境要更為復雜，使得其相干時間通常也較短，可以實現較大的探測帶寬。而且，金剛石n-v中心的四個結晶軸可以同時測量磁場方向。因此，基于n-v中心的磁強計迅速發展為當前研究熱點，但缺乏讀出asic電路的研究。

2、磁測量中靈敏度的意義是單位時間內探測器能測到的最小磁場，有：

3、；

4、其中，t是測量時間，是最小可探測的磁場大小。我們可以將該式推廣到本領域更為關心的散粒噪聲極限靈敏度。基于連續波方法的散粒噪聲極限靈敏度計算公式：

5、；

6、其中，是線寬修正系數，該值與譜線線型有關。

7、現有技術中，一種連續波方案系統結構（參考文獻：schloss?j?m?,?barry?j?f?,turner?m?j?,et?al.simultaneous?broadband?vector?magnetometry?using?solid-state?spins[j].physical?review?applied,?2018,?10），包括激光激發、微波產生和磁場檢測。金剛石晶體是一個4?mm×4?mm×0.5?mm的芯片，具有110個邊緣和100個前端面，n到nv?轉換效率約為10%。金剛石粘附在直徑為2英寸、厚度為330μm的半絕緣碳化硅（sic）晶片上，以實現熱和機械穩定。約3.3w，400μm高斯1/e2寬度的光束以≈73?的法線照射到金剛石芯片的100個面上，激發nv。一個非球面、非球面電容器收集光致發光（pl）并將其引導通過633?nm長通濾波器，然后將約52?mw的pl成像到光電二極管上并數字化。綠色激發光的拾取部分（約135?mw）被收集到第二個光電二極管上，并被數字化以進行基于軟件的激光強度噪聲消除。

8、四個獨立的微波源產生四個頻率為νλ、νχ、ν?和νκ的載波信號。金剛石傳感器晶體中nv中心的激光和微波激發以及pl收集方案。金剛石附著在碳化硅（sic）晶片的一側，用于穩定和散熱。sic背面的微波環路為nv集成提供調制微波驅動。532?nm的激發光以≈73?的法線進入金剛石，pl被金剛石下方所示的非球面apla自然聚光器收集。數模轉換器（dac）輸出微波頻率調制（fm）波形。微波由四個源產生，并與2.158?mhz的射頻（rf）信號混合，產生調制載波和邊帶，由微波環路放大、組合和輻射。使用單獨的微波放大器來避免互調。激發激光束穿過偏振器、半波片（hwp）和聚焦透鏡。經過鏡子后，光束穿過光束采樣器，其中一部分被成像到光電二極管上，并在模數轉換器（adc）處數字化；其余的光束照射到鉆石上。金剛石pl由非球面聚光器聚集，在633nm處進行長通濾波，成像到光電二極管上，并數字化。

9、這種技術靈敏度很高，矢量磁測寬，但需要復雜的微波組件配合讀出電路，而且只針對采用調制連續波（cw）-光學檢測磁共振（odmr）的單個光學探測器進行。

技術實現思路

1、本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種基于金剛石氮空位中心的矢量磁力計的asic讀出電路。

2、為解決上述技術問題，本發明是采用下述技術方案實現的。

3、本發明提供了一種基于金剛石氮空位中心的矢量磁力計的asic讀出電路，包括：集成在芯片中的電流轉電壓模塊tia、二級放大模塊pga、adc驅動模塊adc_driver、數字模塊dig_top、模數轉換器sar?adc、低溫漂輸入參考reference；

4、所述電流轉電壓模塊tia將前端量子探頭收集轉化后的電流信號轉變為成比例的電壓信號并濾除直流分量后，輸入所述二級放大模塊pga；

5、所述二級放大模塊pga對輸入的信號進行兩次低通濾波后經由adc驅動模塊adc_driver輸送到所述模數轉換器sar?adc；

6、所述模數轉換器sar?adc對輸入的信號進行模數轉換，輸出數字信號；

7、所述低溫漂輸入參考reference，用于驅動模數轉換器sar?adc的數模轉換模塊；

8、所述數字模塊dig_top為整個asic讀出電路提供所需數字信號。

9、進一步的，所述電流轉電壓模塊tia包括跨阻放大器、內置反饋電阻電路，所述內置反饋電路包括反饋電阻r1和反饋電容c1；

10、所述跨阻放大器的正相輸入端分別接芯片的正輸入端ain_p和二級放大模塊pga，所述正輸入端ain_p用于輸入共模信號；

11、所述運算放大器的反相輸入端分別接芯片的負輸入端口ain_n、第一反饋電阻r1的一端和第一反饋電容c1的一端，所述負輸入端口ain_n，用于輸入量子探頭收集光信號后轉化的電流信號；

12、所述反饋電阻r1的另一端和反饋電容c1的另一端接開關s1后接入跨阻放大器的輸出端，所述跨阻放大器的輸出端還接芯片的引出端rf_0，所述引出端rf_0用于外接片外反饋電阻r5或者片外交流耦合電容c2。

13、進一步的，所述片外反饋電阻r5并聯一個片外反饋電容c5組成片外反饋電阻電路，所述片外反饋電阻電路的一端接開關s2后接入所述引出端rf_0，片外反饋電阻電路的另一端接負輸入端口ain_n。

14、進一步的，所述開關s1和開關s2不同時閉合，用于根據輸入的所述電流信號的大小選擇啟用內置反饋電阻電路和片外反饋電阻電路。

15、進一步的，閉合開關s1或者開關s2的判定條件是：

16、根據不同電流輸入范圍計算所需電阻值，若第一反饋電阻r1無法滿足所需電阻值，則斷開開關s1，閉合開關s2，導通片外反饋電阻電路；否則，閉合開關s1斷開開關s2，導通內置反饋電阻電路。

17、進一步的，所述片外交流耦合電容c2的一端接所述引出端rf_0，片外交流耦合電容c2的另一端接二級放大模塊pga。

18、進一步的，所述二級放大模塊pga包括：可編程增益放大器、負相第一電阻r2、負相第二電阻r3、正相第三電阻r4′、正相第一電阻r2′、正相第二電阻r3′、正相第三電阻r4′和可調電容c4；

19、所述可編程增益放大器的正相輸入端分別接正相第一電阻r2′的一端和正相第二電阻r3′的一端，所述正相第一電阻r2′的另一端接所述片外交流耦合電容c2的另一端；

20、所述可編程增益放大器的第一輸出端分別接正相第二電阻r3′的另一端和正相第三電阻r4′的一端，正相第三電阻r4′的另一端分別接可調電容c4的一端和adc驅動模塊adc_driver；

21、所述可編程增益放大器的負相輸入端分別接負相第一電阻r2的一端和負相第二電阻r3的一端，所述負相第一電阻r2的另一端接所述片外交流耦合電容c2的另一端；

22、所述可編程增益放大器的第二輸出端分別接負相第二電阻r3的另一端和負相第三電阻r4的一端，負相第三電阻r4的另一端分別接可調電容c4的一端和adc驅動模塊adc_driver。

23、進一步的，還包括：負相第一電容c3和正相第一電容c3′；

24、所述負相第一電容c3與負相第二電阻r3并聯，所述正相第一電容c3′與正相第二電阻r3′并聯。

25、進一步的，所述adc驅動模塊adc_driver包括第一adc驅動模塊adc_driver和第而adc驅動模塊adc_drive；

26、所述第一adc驅動模塊adc_driver的正相輸入端接所述正相第三電阻r4′的另一端，所述第一adc驅動模塊adc_driver的負相輸入端接第一adc驅動模塊adc_driver的輸出端后接入模數轉換器sar?adc；

27、所述第二adc驅動模塊adc_driver的正相輸入端接所述負相第三電阻r4的另一端，所述第二adc驅動模塊adc_driver的負相輸入端接第二adc驅動模塊adc_driver的輸出端后接入模數轉換器sar?adc。

28、進一步的，所述adc驅動模塊adc_driver的帶寬的計算公式為：

29、；

30、其中， bw表示adc驅動模塊adc_driver的帶寬， n表示預設的電壓建立精度， t s為采樣時間。

31、本發明所達到的有益效果：

32、本發明的讀出電路，通過二級放大模塊pga實現了二階低通濾波的效果，因此本發明電路具有很好的噪聲性能；本發明能夠大大減小了功耗和噪聲，既不增加電路復雜性，又能很好的達到確保增益精度的效果。