鎖相放大器基礎結構原理介紹

在物理學的許多測量中，常常遇到極微弱信號。通常的方法是采用選頻放大技術，使放大器的中心頻率與待測信號頻率相同，從非線性器件直接產生的或外部引入的（干擾等）眾多頻率分量中間取出有用分量，濾除其它無用分量。但此方法存在中心頻率不穩定、帶寬不能太窄及對信號缺乏跟蹤能力等缺點。

          鎖相放大器（Lock-in amplifier，LIA）自問世以來，在微弱信號檢測方面顯示出優秀的性能，它能夠在較強的噪聲中提取信號，使測量精度大大提高,在科學研究的各個領域得到了廣泛的應用。它利用待測信號和參考信號的互相關檢測原理實現對信號的窄帶化處理，能有效地抑制噪聲，實現對信號的檢測和跟蹤^[10]。因此，學生掌握鎖相放大技術的原理與應用具有重要的意義。

鎖相放大器的基本結構如圖所示，包括信號通道、參考通道、相敏檢測器（PSD）和低通濾波器（LPF）等。 

 

          信號通道對調制正弦信號輸入進行交流放大，將微弱信號放大到足以推動相敏檢測器工作的平台，並且要濾除部分干擾和噪聲，以提高相敏檢測的動態范圍。

          參考通道對參考輸入進行放大和衰減，以適應相敏檢測器對幅度的要求。參考通道的另一個重要功能是對參考輸入進行移相處理，以使各種不同的相移信號的檢測結果達到最佳。

鎖相放大器的核心部件是PSD，它以參考信號r(t)為基准，對有用信號x(t)進行相敏檢測，從而實現頻譜遷移過程。將x(t)的頻譜由ω=ω₀處，再經LPF濾除噪聲，輸出直流信號，其幅度與兩路輸入信號幅度及它們的相位有關。其輸出u₀(t)對 x(t)的幅度和相位都敏感，這樣就達到了既鑒幅又鑒相的目的。因為LPF的頻帶可以做得很窄，所以可使鎖相放大器達到較大的SNIR。下圖為不同相位時相敏檢測器的輸出波形:

          不同相位時相敏檢測器的波形

          當兩輸入信號的振幅一定時，相敏檢波器的輸出與輸入信號的相位差的余弦成正比。兩同相信號檢波后輸出最大；而反相時為負最大；相差90⁰或270⁰時為零。相敏檢波器的原理比較簡單，它的輸出信號  是輸入信號  與參考信號  的乘積。

              

式中：  為被測信號頻率；  為隨機噪聲頻率。通過PSD后，輸出

              

            

加低通濾波器，其輸出

              

若  大於低通濾波器截止帶寬，后一項不通過低通濾波器輸出；反之輸出。

實際電路中，常采用  的方波作參考信號，設  ，則參考信號的傅立葉級數表示為：

式中  為方波的基波頻率。

若信號為：  ，則

經LPF的濾波作用，n＞１的差頻項及所有的和頻項均被濾除，只剩下n=1的差頻項為： 

最終將輸出信號作為積分時間無限長的積分器的輸入，完成互相關函數的求解。