Электроника прибора P47-SPM-MDT

1. Входные усилители. В режиме STM используются два типа входных усилителей: на диапазон входных токов 10pA - 10nA и 1pA - 1nA при работе в режиме Z-const. Они представляют из себя преобразователи ток - напряжение с транс импедансом 20MoHm и 200MoHm соответственно. Величина измеряемого входного тока ограниченна 50 и 5 nA , полоса частот - 15 и 6 kHz соответственно. В режиме AFM входной усилитель представляет собой счетверенный преобразователь фототок - напряжение (по одному на каждую секцию фотоприемника) с полосой 1 MHz).На суммирующих - вычитающих усилителях собрана схема преобразующая 4 входных сигнала в напряжение пропорциональное нормальному отклонению кантилевера, латеральному повороту и полной засветке фотоприемника. Последнее используется при поддержании постоянного относительного отклонения кантилевера, что позволяет компенсировать нестабильность и шумы лазера даже при работе с ненулевым разностным сигналом. 2. Входные фильтры. Для работы в режиме модуляционных методик а также для уменьшения входных шумов используются несколько фильтров. В режиме STM это фильтр нижних частот 3-го порядка с полосой 10kHz позволяющий поддерживать постоянный средний ток при работе с измерением dI/dZ или dI/dU с модуляцией Z или U на частоте выше 18 kHz. Для выделения промодулированного сигнала используется полосовой фильтр 5-го порядка на частоту 18 - 25 kHz. В режиме AFM это два сопрягающихся фильтра 3-го порядка верхних и нижних частот с частотой среза 50 kHz. В качестве входного сигнала может использоваться сигнал подаваемый на входной внешний разъем прибора. Параметры его фильтров идентичны фильтрам канала AFM. 3. Мультиплексоры и преобразователи сигналов. В приборе используются три группы мультиплексоров: Мультиплексоры - усилители входных сигналов позволяющие выбрать из входных сигналов (низкочастотный и полосовой STM, низкочастотный и высокочастотный AFM и внешний ) сигналы подвергаемые преобразованию. Мультиплексоры выбирающие два независимых сигнала для одновременного измерения двумя АЦП. Мультиплексоры выбирающие выходной сигнал для использования в цепи обратной связи при работе в режиме поддержания постоянной величины входного тока, амплитуды модуляции и т.п. Преобразователи сигналов позволяют одновременно и независимо получать сигнал пропорциональный логарифму входного тока, а также, при работе в режиме модуляции, сигнал пропорциональный амплитуде входного (с использованием синхронного детектирования), среднеквадратичной величине входного, сдвигу фазы между входным и возбуждающим сигналами. Все сигналы проходят через управляемые фильтры нижних частот 2-го порядка с диапазоном перестройки 200Hz - 20kHz. Диапазон частот при работе с модуляционными методиками - в режиме STM: 18 - 25kHz, в режиме AFM: 1kHz - 1.8 MHz при изучении свойств кантилеверов и 50 kHz - 1.2 MHz при сканировании поверхности образца. Синхронное детектирование возможно использовать на частотах кратных частоте возбуждения. Возможен режим работы с поддержанием постоянного сдвига фазы между возбуждающим и входным сигналами за счет изменения частоты колебаний кантилевера цепью обратной связи. При использовании проводящих кантилеверов возможно поддержания одного из параметров его колебания (фазы, амплитуды, и т.п.) за счет изменения потенциала подаваемого на кантилевер. 4. Цепь обратной связи состоит из масштабирующего усилителя, управления полярностью, интегратора с управляемой постоянной времени и режимами сброса и хранения, усилителя ошибки, умножающего 16-ти разрядного ЦАПа задающего уровень поддержания сигнала обратной связью. В качестве опорного напряжения этого ЦАПа может быть использован сигнал пропорциональный полной засветке фотоприемника, что, как уже отмечалось, уменьшает чувствительность прибора к нестабильности и шумам лазера. 5. 16-ти разрядные АЦП. Два 16-ти разрядных АЦП позволяют одновременно регистрировать два различных сигнала независимо выбираемых из набора всех входных, преобразованных и внешних сигналов. Перед каждым из АЦП расположен фильтр нижних частот 2-го порядка перестраиваемый в диапазоне 100Hz - 20kHz. Перед одним из АЦП находится 16-ти разрядный ЦАП смещения и разностный усилитель, позволяющий компенсировать постоянную составляющую измеряемого сигнала, а также управляемый усилитель с коэффициентом усиления 1,10,100,1000. Это позволяет повысить разрешение АЦП до уровня обусловленного входными шумами в полосе измерения. 6. Усилители X и Y отклонения пьезосканера идентичны и представляют собой составной ЦАП и высоковольтный усилитель с парафазным выходом. Это увеличивает полный размах напряжения на пьезосканере до +320V/-320V при однополярном питании 350V. Полоса усилителей X и Y 2.5kHz. Составной ЦАП состоит из двух прецизионных 16-ти разрядных ЦАПов, прецизионного источника опорного, двух деглитчеров (для подавления выбросов при переключения ЦАПов). Использование различных коэффициентов усиления для ЦАПов позволяет достичь эффективной разрядности составного ЦАПа - 22 двоичных разряда, что на поле 100 x 100 mkm должно дать минимальный шаг 0.025 nm. Проблема точного согласования усиления двух ЦАПов устраняется тем, что сканирование всегда осуществляется только одним из них: "старшим" или "младшим" - в зависимости от выбранной величины поля сканирования. Усилитель Z отклонения пьезосканера содержит аналогичную схему составного ЦАПа, но высоковольтный усилитель имеет один выход (0-320V), более широкую полосу - 15 kHz, и способен работать на нагрузку до 100nF. У него есть вход внешней модуляции и возможность подачи внутреннего модулирующего сигнала. Резисторный делитель и буферный усилитель служат для измерения величины Z в режиме с включенной обратной связью по Z. 7. Блок синтеза частот состоит из трех 32 разрядных независимых синтезаторов сигналов sin(wt), cos(wt) - для синхронного детектирования и cos(wt+) - для модулирующих воздействий. Частота, амплитуда и фаза перестраиваются независимо. Шаг перестройки по частоте - 0.01 Hz, по фазе - 0.1 град. Амплитуда модулирующего воздействия может меняться в диапазоне 1mV-10V с шагом 1mV. В качестве задатчика опорной частоты может быть выбран либо кварцевый генератор (40 MHz), либо, в режиме с обратной связью по фазе и управлением частотой, ГУН (9-11 MHz). 8. Блок управления подводом состоит из двух 12-ти разрядных ЦАПов, программно вырабатывающих два сдвинутых на 90 град. синусоидальных напряжения, подаваемых на два усилителя мощности управляющих током через обмотки шагового двигателя подвода. 9. Стабилизатор температуры позволяет поддерживать постоянную температуру подложки с образцом в диапазоне 30 - 120°С с точностью 0.05°.