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

背景技術(shù)：

1、目前基于量子體系的磁力計(jì)包括超導(dǎo)量子干涉儀（squid）、霍爾磁強(qiáng)計(jì)以及原子磁力計(jì)等。金剛石中的氮空位(n-v)中心也可用來實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)傳感器?；趎-v中心的磁力計(jì)在測(cè)量矢量磁場(chǎng)方面具有天然的優(yōu)勢(shì)，氮-空位色心是金剛石中的一種點(diǎn)缺陷，它屬于固態(tài)自旋中的一種，固態(tài)體系自旋濃度相比氣態(tài)體系要高，其自旋環(huán)境要更為復(fù)雜，使得其相干時(shí)間通常也較短，可以實(shí)現(xiàn)較大的探測(cè)帶寬。而且，金剛石n-v中心的四個(gè)結(jié)晶軸可以同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)方向。因此，基于n-v中心的磁強(qiáng)計(jì)迅速發(fā)展為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，但缺乏讀出asic電路的研究。

2、磁測(cè)量中靈敏度的意義是單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器能測(cè)到的最小磁場(chǎng)，有：

3、；

4、其中，t是測(cè)量時(shí)間，是最小可探測(cè)的磁場(chǎng)大小。我們可以將該式推廣到本領(lǐng)域更為關(guān)心的散粒噪聲極限靈敏度?；谶B續(xù)波方法的散粒噪聲極限靈敏度計(jì)算公式：

5、；

6、其中，是線寬修正系數(shù)，該值與譜線線型有關(guān)。

7、現(xiàn)有技術(shù)中，一種連續(xù)波方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（參考文獻(xiàn)：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(fā)、微波產(chǎn)生和磁場(chǎng)檢測(cè)。金剛石晶體是一個(gè)4?mm×4?mm×0.5?mm的芯片，具有110個(gè)邊緣和100個(gè)前端面，n到nv?轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)熱和機(jī)械穩(wěn)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(gè)面上，激發(fā)nv。一個(gè)非球面、非球面電容器收集光致發(fā)光（pl）并將其引導(dǎo)通過633?nm長(zhǎng)通濾波器，然后將約52?mw的pl成像到光電二極管上并數(shù)字化。綠色激發(fā)光的拾取部分（約135?mw）被收集到第二個(gè)光電二極管上，并被數(shù)字化以進(jìn)行基于軟件的激光強(qiáng)度噪聲消除。

8、四個(gè)獨(dú)立的微波源產(chǎn)生四個(gè)頻率為νλ、νχ、ν?和νκ的載波信號(hào)。金剛石傳感器晶體中nv中心的激光和微波激發(fā)以及pl收集方案。金剛石附著在碳化硅（sic）晶片的一側(cè)，用于穩(wěn)定和散熱。sic背面的微波環(huán)路為nv集成提供調(diào)制微波驅(qū)動(dòng)。532?nm的激發(fā)光以≈73?的法線進(jìn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器（dac）輸出微波頻率調(diào)制（fm）波形。微波由四個(gè)源產(chǎn)生，并與2.158?mhz的射頻（rf）信號(hào)混合，產(chǎn)生調(diào)制載波和邊帶，由微波環(huán)路放大、組合和輻射。使用單獨(dú)的微波放大器來避免互調(diào)。激發(fā)激光束穿過偏振器、半波片（hwp）和聚焦透鏡。經(jīng)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(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）處數(shù)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(jìn)行長(zhǎng)通濾波，成像到光電二極管上，并數(shù)字化。

9、這種技術(shù)靈敏度很高，矢量磁測(cè)寬，但需要復(fù)雜的微波組件配合讀出電路，而且只針對(duì)采用調(diào)制連續(xù)波（cw）-光學(xué)檢測(cè)磁共振（odmr）的單個(gè)光學(xué)探測(cè)器進(jìn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于金剛石氮空位中心的矢量磁力計(jì)的asic讀出電路。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

3、本發(fā)明提供了一種基于金剛石氮空位中心的矢量磁力計(jì)的asic讀出電路，包括：集成在芯片中的電流轉(zhuǎn)電壓模塊tia、二級(jí)放大模塊pga、adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver、數(shù)字模塊dig_top、模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc、低溫漂輸入?yún)⒖紃eference；

4、所述電流轉(zhuǎn)電壓模塊tia將前端量子探頭收集轉(zhuǎn)化后的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤碾妷盒盘?hào)并濾除直流分量后，輸入所述二級(jí)放大模塊pga；

5、所述二級(jí)放大模塊pga對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行兩次低通濾波后經(jīng)由adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver輸送到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc；

6、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)；

7、所述低溫漂輸入?yún)⒖紃eference，用于驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；

8、所述數(shù)字模塊dig_top為整個(gè)asic讀出電路提供所需數(shù)字信號(hào)。

9、進(jìn)一步的，所述電流轉(zhuǎn)電壓模塊tia包括跨阻放大器、內(nèi)置反饋電阻電路，所述內(nèi)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(jí)放大模塊pga，所述正輸入端ain_p用于輸入共模信號(hào)；

11、所述運(yùn)算放大器的反相輸入端分別接芯片的負(fù)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(fù)輸入端口ain_n，用于輸入量子探頭收集光信號(hào)后轉(zhuǎn)化的電流信號(hào)；

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(guān)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(jìn)一步的，所述片外反饋電阻r5并聯(lián)一個(gè)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(guān)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(fù)輸入端口ain_n。

14、進(jìn)一步的，所述開關(guān)s1和開關(guān)s2不同時(shí)閉合，用于根據(jù)輸入的所述電流信號(hào)的大小選擇啟用內(nèi)置反饋電阻電路和片外反饋電阻電路。

15、進(jìn)一步的，閉合開關(guān)s1或者開關(guān)s2的判定條件是：

16、根據(jù)不同電流輸入范圍計(jì)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(guān)s1，閉合開關(guān)s2，導(dǎo)通片外反饋電阻電路；否則，閉合開關(guān)s1斷開開關(guān)s2，導(dǎo)通內(nèi)置反饋電阻電路。

17、進(jìn)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(jí)放大模塊pga。

18、進(jìn)一步的，所述二級(jí)放大模塊pga包括：可編程增益放大器、負(fù)相第一電阻r2、負(fù)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(diào)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(diào)電容c4的一端和adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver；

21、所述可編程增益放大器的負(fù)相輸入端分別接負(fù)相第一電阻r2的一端和負(fù)相第二電阻r3的一端，所述負(fù)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(fù)相第二電阻r3的另一端和負(fù)相第三電阻r4的一端，負(fù)相第三電阻r4的另一端分別接可調(diào)電容c4的一端和adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver。

23、進(jìn)一步的，還包括：負(fù)相第一電容c3和正相第一電容c3′；

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

25、進(jìn)一步的，所述adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver包括第一adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver和第而adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_drive；

26、所述第一adc驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)模塊adc_driver的負(fù)相輸入端接第一adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver的輸出端后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc；

27、所述第二adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver的正相輸入端接所述負(fù)相第三電阻r4的另一端，所述第二adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver的負(fù)相輸入端接第二adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver的輸出端后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器sar?adc。

28、進(jìn)一步的，所述adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver的帶寬的計(jì)算公式為：

29、；

30、其中， bw表示adc驅(qū)動(dòng)模塊adc_driver的帶寬， n表示預(yù)設(shè)的電壓建立精度， t s為采樣時(shí)間。

31、本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

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