鎖定放大器類型及特性

在本文中，我們將討論鎖定放大器的實用方面，包括不同類型的鎖定放大器及其主要特性。

由于鎖定放大器的目的是從高噪聲環(huán)境中恢復信號，因此設計實驗時最相關的一點是測試設置中的噪聲。因此，我們還將在本文中回顧可能的噪聲源。最后，我們將介紹一些市場上可用的鎖定放大器。

鎖定放大器的類型

模擬或數字

當第一個鎖定放大器出現時，它的所有組件（濾波器、乘法器、移相器等）都是純模擬的。由于技術的發(fā)展以及數字信號處理器（DSP）的價格下降，一些部件，如濾波器或放大器，變成了數字化的。

然而，在非常特殊的情況下，模擬部件非常有用。這就是為什么一些放大器仍然保持其某些組件模擬的原因。實際上，純數字鎖定放大器并不存在，因為像輸入濾波器或放大器這樣的級仍然是模擬的。

單相或雙相檢測器

正如我們在上一篇文章中回顧零差收發(fā)器時看到的，鎖定放大器的支柱使用參考信號來恢復同相 (I)分量；他們還使用相同的 90o 偏移信號來恢復正交 (Q)分量。因此，雙相鎖定放大器可以檢測兩個分量，而單相放大器只檢測同相分量。

雙相和雙通道鎖定放大器之間的區(qū)別有時可能會令人困惑。雙相鎖定放大器可以檢測相位和正交分量，而雙通道鎖定放大器可以測量兩種不同的信號。因此，可以有雙相單通道鎖定放大器以及單通道雙相鎖定放大器。

鎖定放大器噪聲源

我們已經看到，當目標是從非常嘈雜的環(huán)境中恢復信號時，鎖定放大器是一個很好的工具。在旨在對抗噪聲的實驗中使用鎖定放大器時，您必須首先了解噪聲的來源。

熱噪聲

熱噪聲，也稱為約翰遜-奈奎斯特噪聲，是由固定電荷載流子（即電子）的熱波動引起的。這些波動是由溫度變化引起的，與施加的電壓無關。每個電阻都會產生熱噪聲，根據 Nyquist [1] 最初進行的實驗，可以用以下公式表示：

[V_{thermal}(rms)=\\sqrt{4kTR\\Delta f}]

在這個公式中，k是玻爾茲曼常數，T是開爾文溫度，是帶寬，R是電阻值。這個公式說明了仔細選擇所有模擬級的電阻值同時盡可能減少不必要的帶寬的重要性。ΔF

散粒噪聲

電流是由離散電荷（電子或空穴）的流動引起的，具體取決于結的類型。由于這些電荷不是連續(xù)的而是離散的，因此電荷的流動是不均勻的，從而導致統(tǒng)計噪聲。這個原理可以用下面的表達式來概括：

這里，q是電子電荷，I是電路中施加的 RMS 電流， 是帶寬。使用鎖定放大器時，輸入帶寬通常很小，因此散粒噪聲對測量的影響不大。ΔF

1/f 噪聲

也稱為粉紅噪聲或閃爍噪聲，1/f 噪聲的確切來源尚未準確找到，但它在不同分量中得到了很好的表征。

噪聲量與頻率成反比。這就是為什么在低頻實驗中難以進行準確測量的原因。

閃爍噪聲的功率譜密度 (PSD)。圖片由 Behraad Bahreyni [2] 提供

粉紅噪聲呈現出一個角頻率 f c， 從那里噪聲是均勻的。該頻率取決于每個組件（電阻器、二極管、晶體管等）的性質。

有關電噪聲及其來源的更全面討論，您可以查看 Robert Keim 關于該主題的技術文章。

選擇合適的鎖定放大器

在為實驗選擇或構建鎖定放大器之前，您應該了解一些可能指導您做出決定的關鍵特征。

輸入噪聲

由放大器內部組件引起的不同類型的噪聲將決定您進行測量時存在的輸入噪聲。由于所有噪聲類型都是不相干的，所有噪聲分量的正交和導致輸入處的噪聲量。

這個數字總是相對于頻率的平方根，它的值通常是 (nV/\\sqrt{Hz})nV/√Hz

最低動態(tài)儲備

正如我們在上一篇關于鎖定放大器基本原理的文章中看到的那樣，動態(tài)儲備是從確定的噪聲水平恢復信號的能力。

由于該值取決于所選的比例，制造商以對數單位提供最小動態(tài)儲備。

鎖定放大器 SR-844 的規(guī)格，表示最小動態(tài)儲備。圖片由 斯坦福研究系統(tǒng)公司提供

帶寬

鎖定放大器最相關的方面之一是帶寬，它指定了最大頻率和最小頻率。

由于內部組件固有的噪聲水平，該最小值受到限制。閃爍噪聲與頻率成反比。然后，為了保證所有頻率范圍內的指定噪聲水平，必須在一些鎖定放大器中設置最小頻率。

舊型號的帶寬為 25 kHz 至 200 MHz，而大多數現代型號可接受的頻率范圍為 DC 至 600 MHz。

過濾器

解調階段的濾波器將決定完成實驗所需的時間以及輸出信號的質量。

制造商提供三個參數：時間常數、濾波器帶寬和濾波器滾降。所有這三個因素都是相互關聯的，它們提供了實驗的持續(xù)時間限制以及在實驗期間可以正確檢測到的信號類型。

參考信號

參考信號的準確性對于實驗的成功至關重要。參考信號可以由本地振蕩器在內部生成，也可以從外部連接到鎖定放大器的端口之一。在這兩種情況下，這個信號都有一個最大頻率——有時是一個最小值。

相位規(guī)格與頻率規(guī)格一樣重要；相位分辨率和相位誤差必須足夠低才能進行準確的測量。以 dBc/Hz 表示的相位噪聲也是一個關鍵參數。

商業(yè)模型

如今，有不同的制造商提供鎖定放大器。由于鎖定放大器是一種特殊的儀器，因此制造商的名單并不龐大。關于是誰發(fā)明了它的討論，但第一篇論文出現在 1941 年 [3]。

在下表中，我們比較了市場上的一些模型：

結論

鎖定放大器是非常精確的儀器，在從高噪聲環(huán)境中恢復微弱信號時非常有效。在選擇商業(yè)模型時，檢查噪聲水平及其帶寬和過濾能力至關重要。