一种隧道结并联电阻法高宽带无自激前置放大电路的制作方法

本实用新型属于扫描隧道显微镜高带宽前放技术领域，具体涉及一种隧道结并联电阻法高带宽无自激前置放大电路。

背景技术：

高带宽扫描隧道显微镜（STM）前置放大电路一直以来是许多团队努力的目标。但当带宽足够大时，带宽内的噪音也会被放大。当某个噪音的频率f_n在放大电路的谐振频率或附近且电路无阻尼或阻尼比较小时，该频率的噪音几乎会被无限放大，直至达到电路的饱和输出为止，即所谓的自激震荡。此时，电路错误输出，STM前放无法正常工作。

消除自激震荡的一个方法是增大反馈电容C_f，即相位补偿法。但如此以来，根据带宽公式：f_b=1/2pR_fC_f，带宽会被明显降低，因此不是最佳选择。

消除自激震荡的另一个方法是降低反馈系数，降低反馈系数可以通过（A）增大反馈电阻R_f的阻值或者（B）降低隧道结等效电阻R_ST的方法来实现。但在探针与样品逼近到隧穿区之前，探针与样品之间几乎没有任何电流，即等效电阻几乎是无穷大的。如此一来，即使反馈电阻的阻值是1GΩ，反馈系数仍然很大，几乎永远是常量1，使方法（A）没有效果。又因为隧道结等效电阻R_ST是待测对象，不能人为降低，导致方法（B）也没有效果。最终导致自激震荡成为高带宽STM前放的拦路虎。

为了解决上述难题，结合STM的工作原理，在项目批准号为：11304082的国家自然科学基金“超快速扫描隧道显微镜的改进与应用”的支持下，本实用新型提出了一种隧道结并联电阻法高带宽无自激前置放大电路。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供了一种隧道结并联电阻法高带宽无自激前置放大电路。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种隧道结并联电阻法高带宽无自激前置放大电路，包括扫描隧道显微镜前置放大电路，其特征在于：在导电样品与导电探针形成的隧道结两端并联有电阻。

进一步优选，所述电阻的连接支路上设有开关，当导电探针的针尖靠近导电样品时开关闭合，当导电探针的针尖与导电样品间的等效电阻阻值不大于所设置电阻的阻值时开关断开。

进一步优选，所述电阻的阻值满足扫描隧道显微镜前置放大电路的输出能够正确响应输入信号的变化。

进一步优选，所述电阻的阻值为扫描隧道显微镜前置放大电路反馈电阻阻值的0.01-0.2倍。

进一步优选，所述前置放大电路为跨阻放大器结构，所述导电样品与导电探针形成的隧道结的一端接地，导电样品与导电探针形成的隧道结的另一端与跨阻放大器的反相输入端连接，跨阻放大器的同相输入端与偏置电压的一端连接，偏置电压的另一端接地，跨阻放大器的反相输入端和输出端之间连接有反馈电阻。

进一步优选，所述电阻的阻值为100KΩ，反馈电阻的阻值为1MΩ，跨阻放大器中的集成运算放大器的型号为OPA627。

进一步优选，所述电阻为定值电阻或可调电阻。

本实用新型能够在不改变隧道结信息的前提下消除STM前放的自激震荡，使STM前放的带宽更大。

附图说明

图1是本实用新型隧道结并联电阻法高带宽无自激前置放大电路原理图；

图2是本实用新型实际测试时的电路原理图；

图3是本实用新型利用图2中参数的STM前放测到的原子分辨率图像；

图4是本实用新型隧道结并联电阻法高带宽无自激前置放大电路开关支路式原理图。

图中：1、导电探针，2、导电样品。

具体实施方式

以下通过实施例对本实用新型的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型上述内容实现的技术均属于本实用新型的范围。

STM的工作原理和技术模式决定了在导电探针1的针尖逼近导电样品2的过程中，隧道结的等效电阻几乎是无穷大的，反馈系数也几乎是最大的，无限接近于1。但是当针尖进入隧穿区后，并开始扫描样品时，导电探针1的针尖与导电样品2的间距几乎只有不到1nm的距离，因此阻值会变的很小。此时的反馈系数很小，通常是0.1左右，这个反馈系数下通常不会导致自激震荡。

但是STM必须先经历逼近的过程才能够进行后续的扫描隧穿。当隧道结的信息不能改变时，可以在隧道结外进行处理，即在隧道结的两端并联设置一个电阻，如图1中的R_in所示。

图1中的TIA为跨阻放大器，V_b为偏置电压。此时，即使导电探针1的针尖距离导电样品2较远、等效电阻R_ST无穷大，但并联R_in后总的等效阻值不会超过R_in的值，反馈系数因此会降低。R_in的值越大越好，但由于不同电路的震荡环境不同、需要的R_in的具体值也不一样，选择能够使STM前置放大电路正确放大的最大允许R_inmax值即可。此时，隧道结的信息没有改变。

实施例1

具体实施时，根据制约带宽的公式：f_b=1/2pR_fC_f，为了获得更大的带宽，要求R_f与C_f都尽可能小。如图2所示，本实施例中选择R_f=1MΩ、无主动的外接C_f（但是电路中会存在无法避免的杂散电容）；考虑到微弱信号放大能力和工作稳定性，选择的集成运算放大器型号为OPA627。此时，即使输入端不接输入信号，该放大电路的输出端也会有方波的饱和输出。

当与隧道结并联设置0.1MΩ的电阻后，STM前置放大器能够正确放大，工作状态良好。此时，按照跨阻放大器（TIA，trans-impedance amplifier）的带宽的公式，当使用OPA627时，估算得到：f_b=(GBP/2pR_fC_S)^1/2=0.412MHz。然后根据期望的隧道结电阻值约0.1 MΩ，以0.1//0.1=0.05（MΩ）为总的等效输入电阻，输入交变电压信号，实际测到的带宽是550KHz，与估算值相近。

该带宽是目前已知的能够获得原子分辨率图像的STM前放的最高带宽。而且，利用此方法已经测到了STM原子分辨率图像，样品为高序石墨（HOPG），如图3所示。由于像素点少，图中出现了一定程度的马赛克的现象；更高质量的图像正在整理中。

实施例2

在实施例1中，为了不使隧道结上并联的电阻降低测试信号的对比度，可以在所并联电阻的支路上串联一个开关，如图4所示。具体用法是：当导电探针1的针尖靠近导电样品2时，开关闭合。当导电探针1的针尖与导电样品2之间的等效电阻不大于所设电阻的阻值时，开关断开。因为此时即使断开并联的电阻Rin，输出也不再会错误。

可以通过测量V_out的值，来反推出隧道结电阻是否小于等于所设置电阻的阻值。

当开关为机械开关时，为避免机械开关动作引起的震动对测试的干扰，需将开关设置在远离隧道结的地方。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。