锁相放大器的基本原理

有时我们发现自己需要测量非常、非常低的电压信号——纳米伏特量级甚至更小。我们可能认为这不应该是一个问题，并想当然地认为这些信号可以使用传统的运算放大器链进行放大。

那我们就错了。因为我们忘记了噪音。

如果一个信号被放大，那么伴随的噪音也会增大。因此，即使我们放大想要的信号，我们也无法将它与背景噪声区分开来。

在这种情况下，解决方案是锁相放大器。本文介绍了它们的理论基础，以及它们的主要特点。

锁定放大器和噪声

假设你想在100 KHz下测量50 nV的正弦波。频率不是很高，所以一般的仪器，如示波器或万用表有足够的带宽。另一方面，振幅相当低，所以当然需要一些放大。

在这里，我们可以使用低噪声放大器(LNA)，如AD8429，其输入噪声为2 \(nV/\sqrt{Hz}\)，带宽为1.2 MHz，增益为100。输出端的信号和噪声分别为:

\ [s_{出}= s_{在}* G = 50 nv * 100 = 5 \μV \]
\ [n_{出}= n_的{}* G = 2 \压裂{nV} {\ sqrt{赫兹}}* \ sqrt{1.2 * 10 ^ 6赫兹}* 100 = 219.089 \μV \]

噪声比信号大好几倍，即使使用具有良好噪声特性的放大器，也无法正确测量信号。即使我们加上a高品质因数的过滤器在放大之前，噪声仍然过高，无法从背景噪声中恢复信号，这是很难实现的。

我们需要一个新的解决方案——它的名字是锁定放大器。

零差接收机是什么?

在进入细节之前，让我们先回顾一下一个相对陈旧的概念。

当信号通过天线发送时，它通常不会以基带发送，而是使用载波信号进行调制。这种载波或参考信号可以从一些KHz到几个MHz，这取决于可用的技术、功耗和成本。

零差接收机(和发射机)只使用一个频率来上下移动信号，而外差接收机(和发射机)则使用一个中频。

基本零差接收机有以下几个方面:

图1所示。零差接收机的模式

接收信号首先使用带通滤波器滤波，然后使用带有低噪声放大器(LNA)的放大器。本振产生频率为f的参考信号_o．这个信号被移动90º，因此产生了求积信号。

这个接收器也被称为I/Q解调器，因为它使用组件I (\(sin \ _ot\))和Q (\(cos \ _ot\))。

在最后阶段，每个组件都用低通滤波器过滤掉。

记住这个概念，我们将用它来理解锁定放大器。

时间域和频率域:看两个世界

如果使用零差发送器发送信号\(s(t)=A cos (\omega_st)\)，则将其与接收端参考信号相乘的方式相同，如下所示:

\ [s (t) * s_c (t) = (\ omega_st + \ phi_1 * cos (\ omega_ct + \ phi_2) = \压裂{一}{2}(cos ((\ omega_s + \ omega_ct + \ phi_1 + \ phi_2) + cos ((\ omega_c - \ omega_s) t + \ phi_2 - \ phi_1))) \]

因此，两个信号相乘产生两个新的移位信号，分别在频率\(ω c + ω c)和\(ω c - ω c)处移位。

我们可以在时域和频域上以图形形式观察结果:

图2。S (t)通常是低频信号

图3。Sc (t)是一种精确生成的高频信号

图4。结果可以清楚地观察到慢分量(包络)和快分量(调制)的组合

图5。正弦信号是频率域中的纯音调

图6。信号的频率可以通过简单的操作来增加或减少

最相关的方面之一是相位信息变成了\(\phi_1 \)的函数。因此，参考信号处相位的质量将决定恢复信号的质量。

锁定放大器原理

一个基本的锁相放大器如图7所示。

图7。基本的锁相放大器。图片由信号恢复

你觉得这很熟悉吗?

它与零差式接收机非常相似，但有一些细微的差别。系统的核心是移相器和乘法器。这种设置保证了输出信号与我们想要测量的信号是相干的，并且没有其他信号干扰它。

相敏检测(PSD)

乘法器块也被称为混频器或相敏检测器。这是因为输出信号取决于参考信号和被测信号之间的相位差。

在一般情况下，参考信号的频率将与被测信号的频率相同。， \(ω s= ω c) -当两者相乘时。结果将是:

\ [s (t) * s_ct = \压裂{一}{2}(cos ((2 \ omega_s) t + \ phi_1 + \ phi_2) + cos (\ phi_2 - \ phi_1))) \]

结果是两个术语的组合:

• 高频信号在\(2f_s\)，它将被滤除和秒
• 一个直流信号\(frac{A}{2}cos \:cos(\phi_2+\phi_1)\)与参考信号和期望信号之间的相移成正比

因此，锁相放大器总是产生a连续信号。

动态储备:我的信号能有多小?

“动态储备”是锁相放大器的一个术语，用来定义它们从确定的噪声水平恢复信号的能力。它的常规定义是最大可容忍噪声信号与全尺寸信号的比率．

动态储备通常用对数尺度(dB)表示。例如，一个120db的动态储备在1µV的满尺度下意味着在不饱和放大链的情况下，噪声可以高达1V。

需要注意的是，动态储备取决于所选的满量程，否则，当选择大的满量程值时，锁定放大器必须能够测量巨大的输入信号。

基本锁定放大器审查

我希望这篇文章能帮助您更好地理解锁定放大器及其用途。我们可以将我们的发现总结为以下几点:

• 基于零差收发器概念的锁相放大器，是在存在大量噪声的情况下测量极低电压的唯一解决方案。
• 锁相放大器总是提供一个与被测信号和参考信号之间的相移成比例的连续信号。
• 参考信号的质量决定了信号检测的成功与否