鎖定放大器的基本原理

有時(shí)我們發(fā)現(xiàn)自己需要測(cè)量非常、非常低的電壓信號(hào)——納伏量級(jí)甚至更小。我們可能會(huì)認(rèn)為這不應(yīng)該是一個(gè)問(wèn)題，并且理所當(dāng)然地認(rèn)為可以使用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器鏈來(lái)放大此類信號(hào)。

好吧，我們錯(cuò)了。因?yàn)槲覀兺浟嗽胍簟?/p>

如果一個(gè)信號(hào)被放大，那么隨之而來(lái)的就是噪聲。因此，即使我們放大了所需信號(hào)，我們也無(wú)法將其與背景噪聲區(qū)分開(kāi)來(lái)。

在這種情況下，解決方案是鎖定放大器。本文介紹了它們所依據(jù)的理論，以及它們的主要特征。

鎖定放大器和噪聲

假設(shè)您想測(cè)量 100 KHz 的 50 nV 正弦波。頻率不是很高，因此示波器或萬(wàn)用表等常規(guī)儀器具有足夠的帶寬。另一方面，幅度非常低，因此當(dāng)然需要一些放大。

在這里，我們可以使用低噪聲放大器 (LNA)，例如AD8429，它的輸入噪聲為 2 (nV/\\sqrt{Hz})，帶寬為 1.2 MHz，增益為 100。信號(hào)和噪聲輸出將分別為：

[s_{out}=s_{in}*G=50nV*100=5\\mu V]

[n_{out}=n_{in}*G=2 \\frac {nV}{\\sqrt{Hz} }*\\sqrt{1.2*10^6Hz}*100=219.089 \\mu V]

噪聲比信號(hào)大幾倍，因此即使使用具有良好噪聲特性的放大器也無(wú)法正確測(cè)量信號(hào)。即使我們?cè)诜糯笾疤砑右粋€(gè)很難實(shí)現(xiàn)的高 Q 濾波器，噪聲仍然太高而無(wú)法從背景噪聲中恢復(fù)信號(hào)。

我們需要一個(gè)新的解決方案——它的名字是鎖定放大器。

什么是零差接收器？

在進(jìn)入細(xì)節(jié)之前，讓我們提醒自己一個(gè)相對(duì)古老的概念。

當(dāng)信號(hào)通過(guò)天線發(fā)送時(shí)，它通常不會(huì)在其基帶中發(fā)送，而是使用載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。該載波或參考信號(hào)可以從幾 KHz 到幾 MHz，具體取決于可用的技術(shù)、功耗和成本。

零差接收器（和發(fā)射器）僅使用一個(gè)頻率來(lái)上下移動(dòng)信號(hào)，而外差則使用中頻。

基本零差接收器具有以下方面：

圖 1. 零差接收器示意圖

接收到的信號(hào)首先使用帶通濾波器進(jìn)行濾波，然后使用具有低噪聲放大器 (LNA) 的放大器進(jìn)行濾波。本地振蕩器產(chǎn)生頻率為 f o的參考信號(hào)。該信號(hào)偏移 90o，因此生成正交信號(hào)。

該接收器也稱為 I/Q 解調(diào)器，因?yàn)樗褂梅至?I ((sin \\omega _ot)) 和 Q ((cos \\omega _ot))。

在最后階段，使用低通濾波器濾除每個(gè)分量。

請(qǐng)記住這個(gè)概念，因?yàn)槲覀儗⑹褂盟鼇?lái)理解鎖定放大器。

時(shí)間與頻域：兩全其美

如果信號(hào) (s(t)=A cos ( \\omega_st)) 是使用零差發(fā)射器發(fā)送的，則它與參考信號(hào)在接收器中的乘積方式相同，如下所示：

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

因此，將兩個(gè)信號(hào)相乘會(huì)生成兩個(gè)新信號(hào)，它們分別在頻率 (\\omega_c + \\omega_s) 和 (\\omega_c - \\omega_s) 處發(fā)生偏移。

我們可以用圖形方式觀察時(shí)域和頻域的結(jié)果：

圖 2. s(t) 通常是低頻信號(hào)

圖 3. sc(t) 是精確生成的高頻信號(hào)

圖 4. 結(jié)果中可以清楚地觀察到慢速分量（包絡(luò)）和快速分量（調(diào)制）的組合

圖 5. 正弦信號(hào)是頻域中的純音

圖 6. 一個(gè)信號(hào)的頻率可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的操作來(lái)增加或減少

最相關(guān)的方面之一是相位信息成為 (\\phi_1 ) 的函數(shù)。因此，參考信號(hào)的相位質(zhì)量將決定恢復(fù)信號(hào)的質(zhì)量。

鎖相放大器原理

圖 7 顯示了一個(gè)基本的鎖定放大器。

圖 7. 一個(gè)基本的鎖相放大器。圖片由Signal Recovery提供

你覺(jué)得這很熟悉嗎？

它與零差接收器非常相似，但有一些細(xì)微差別。系統(tǒng)的核心是移相器和乘法器。這種設(shè)置保證了輸出信號(hào)與我們要測(cè)量的信號(hào)一致，并且沒(méi)有其他信號(hào)干擾它。

相敏檢測(cè) (PSD)

乘法器塊也稱為混頻器或相敏檢測(cè)器。這是因?yàn)檩敵鲂盘?hào)取決于參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)之間的相位差。

在常規(guī)情況下，參考信號(hào)頻率將與測(cè)量的頻率相同——即 (\\omega_s= \\omega_c )——當(dāng)兩者相乘時(shí)。結(jié)果將是：

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

結(jié)果是兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的組合：

• (2f_s) 處的高頻信號(hào)將被過(guò)濾掉，然后
• 直流信號(hào) (\\frac{A}{2}cos :cos(\\phi_2+\\phi_1)) 與參考信號(hào)和所需信號(hào)之間的相移成正比

因此，鎖定放大器將始終產(chǎn)生連續(xù)信號(hào)。

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備：我的信號(hào)可以有多??？

“動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備”是鎖定放大器中使用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于定義它們從確定的噪聲水平恢復(fù)信號(hào)的能力。它的常規(guī)定義是最大可容忍噪聲信號(hào)與滿量程信號(hào)的比值。

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備通常以對(duì)數(shù)標(biāo)度 (dB) 表示。例如，在 1 μV 滿量程上 120 dB 的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備意味著噪聲可以高達(dá) 1V，而不會(huì)使放大鏈飽和。

需要注意的是，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備取決于所選的滿量程，否則鎖定放大器必須能夠在選擇大滿量程值時(shí)測(cè)量巨大的輸入信號(hào)。

基本鎖相放大器回顧

我希望這篇文章能幫助您更好地了解鎖定放大器及其用途。我們可以將我們的發(fā)現(xiàn)總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

• 基于零差收發(fā)器概念的鎖相放大器是在存在大量噪聲的情況下測(cè)量極低電壓時(shí)的唯一解決方案。
• 鎖定放大器始終提供與測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)之間的相移成比例的連續(xù)信號(hào)。
• 參考信號(hào)的好壞決定了信號(hào)檢測(cè)的成功與否。