[实用新型]一种低温STM中测量隧道结电流信号的跨阻放大器电路

权利要求书

1.一种低温STM中测量隧道结电流信号的跨阻放大器电路，其特征在于：

(1)该电路包括四个部分，即“专用前置放大器”部分、“后置运放电路”部分、“反馈电路”部分、“信号输入电路”部分；

(1.1)所述“专用前置放大器”部分，简称“专用前放”，它包括两部分，即“差分电路”和向差分电路供电的“恒流电源”；

所述专用前放的“差分电路”，其结构如下：用一对规格相同的“高电子迁移率场效应晶体管”H1和H2，做如下连接：场效应管H1和H2的两个源极连接在一起，再连接一个电阻R_g，这个电阻的另一端接地，在这个电阻上又并联一个5μF以上的电容C_g；场效应管H1和H2的两个漏极，分别连接漏极负载电阻R₁和R₂，这里R₁＝R₂＝R_L，R₁和R₂的另一端分别记作L₁和L₂，L₁和L₂分别连接电容C₁和C₂，C₁和C₂的另一端接地，这里C₁＝C₂＝C_u，C_u为5μF以上；L₁和L₂又连接在一起，连接点作为差分电路的“供电电流输入端”；两个场效应管H1和H2的两个漏极分别称为专用前放的“正相输出端”和“反相输出端”，而H1和H2的两个栅极分别称为专用前放的“反相输入端”和“正相输入端”，此正相输入端接地；

所述专用前放的“恒流电源”，它包括一个由晶体管和电阻构成的“稳流网络”和向该稳流网络供电的“正电压源”，正电压源的负极接地，正极接该稳流网络，稳流网络的“电流输出端”连接到差分电路的供电电流输入端，经稳流网络的调控向差分电路输入稳恒电流；差分电路仅由此恒流电源供电；该单电源供电的前置放大器，其等效输入电容记作C_A，其等效输入电阻记作R_A；

(1.2)所述“后置运放电路”部分，其构成如下：一个现成的运算放大器，称为“后置OPA”，其等效输入电容和等效输入电阻分别记作C_a和R_a，从后置OPA的输出端接一个反馈电阻R_f到其反相输入端，又在后置OPA的两个输入端分别连接两条电缆线；与后置OPA的正相输入端连接的电缆线，它对地的电容记作C_i1，该电缆线的端头称为“后置运放电路的正相输入端”，它连接于专用前放的正相输出端；与后置OPA的反相输入端连接的电缆线，它对地的电容记作C_i2，该电缆线的端头称为“后置运放电路的反相输入端”，它连接于专用前放的反相输出端；这里C_i1＝C_i2＝C_i；后置OPA的输出端即后置运放电路的输出端；

所述“专用前放”与“后置运放电路”相连接而成的电路称为“宏运算放大器”，简称为“宏运放”；专用前放的反相输入端和正相输入端又分别称为此宏运放的反相输入端和正相输入端，后置运放电路的输出端又称为此宏运放的输出端；此宏运放的正相输入端相对于反相输入端的电压称为“宏运放的输入电压”，而此宏运放的输出端相对于地的电压称为“宏运放的输出电压”，后者与前者的比称为“宏运放的开环电压增益”，记作a_A或a_A(f)；

(1.3)所述“反馈电路”部分，其构成为：一个反馈电阻R_F连接一个由电阻和电容组成的“带宽补偿网络”，该带宽补偿网络有另一端连接于所述宏运放的输出端，而反馈电阻R_F的另一端连接于该宏运放的反相输入端；反馈电路的阻抗作为信号频率f的函数记作Z_F＝Z_F(f)；

宏运放与反馈电路连接所成的电路称为“跨阻放大器”，简称为“TIA”；

(1.4)所述“信号输入电路”部分，其构成如下：STM的针尖与样品间为隧道结，“偏压-调制信号电压源”简记作BMS，BMS的一端接地，另一端连接到隧道结的样品一端，隧道结的针尖一端又接“信号馈线”，信号馈线的另一端作为该“信号输入电路”的信号输出端，它与所述TIA中宏运放的反相输入端相连接；这里信号馈线对地的电容记作C_I；

信号输入电路与TIA连接所成的电路称为“带输入的TIA”，又简称为“TIA电路”或“跨阻放大器电路”；

(2)信号输入电路中的针尖-样品处于低温STM为其设置的低温区，差分电路中的所有场效应管以及两个漏极负载电阻R₁和R₂，还有反馈电路中的反馈电阻R_F，都放置在针尖-样品所处的低温区。