在本文中，我們將討論鎖定放大器的實(shí)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(fù)信號，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)最相關(guān)的一點(diǎn)是測試設(shè)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(shù)字

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)鎖定放大器出現(xiàn)時(shí)，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(shù)的發(fā)展以及數(shù)字信號處理器（DSP）的價(jià)格下降，一些部件，如濾波器或放大器，變成了數(shù)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(shí)際上，純數(shù)字鎖定放大器并不存在，因?yàn)橄褫斎霝V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(shí)看到的，鎖定放大器的支柱使用參考信號來恢復(fù)同相 (I)分量；他們還使用相同的 90o 偏移信號來恢復(fù)正交 (Q)分量。因此，雙相鎖定放大器可以檢測兩個(gè)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(shí)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(jīng)看到，當(dāng)目標(biāo)是從非常嘈雜的環(huán)境中恢復(fù)信號時(shí)，鎖定放大器是一個(gè)很好的工具。在旨在對抗噪聲的實(shí)驗(yàn)中使用鎖定放大器時(shí)，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(guān)。每個(gè)電阻都會產(chǎn)生熱噪聲，根據(jù) Nyquist [1] 最初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以用以下公式表示：

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

在這個(gè)公式中，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是開爾文溫度，是帶寬，R是電阻值。這個(gè)公式說明了仔細(xì)選擇所有模擬級的電阻值同時(shí)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(jié)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(dǎo)致統(tǒng)計(jì)噪聲。這個(gè)原理可以用下面的表達(dá)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(shí)，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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)中難以進(jìn)行準(zhǔn)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(xiàn)出一個(gè)角頻率 f c， 從那里噪聲是均勻的。該頻率取決于每個(gè)組件（電阻器、二極管、晶體管等）的性質(zhì)。

有關(guān)電噪聲及其來源的更全面討論，您可以查看 Robert Keim 關(guān)于該主題的技術(shù)文章。

選擇合適的鎖定放大器

在為實(shí)驗(yàn)選擇或構(gòu)建鎖定放大器之前，您應(yīng)該了解一些可能指導(dǎo)您做出決定的關(guān)鍵特征。

輸入噪聲

由放大器內(nèi)部組件引起的不同類型的噪聲將決定您進(jìn)行測量時(shí)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(dǎo)致輸入處的噪聲量。

這個(gè)數(shù)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(guān)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(fù)信號的能力。

由于該值取決于所選的比例，制造商以對數(shù)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(guān)的方面之一是帶寬，它指定了最大頻率和最小頻率。

由于內(nèi)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(nèi)的指定噪聲水平，必須在一些鎖定放大器中設(shè)置最小頻率。

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

過濾器

解調(diào)階段的濾波器將決定完成實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間以及輸出信號的質(zhì)量。

制造商提供三個(gè)參數(shù)：時(shí)間常數(shù)、濾波器帶寬和濾波器滾降。所有這三個(gè)因素都是相互關(guān)聯(lián)的，它們提供了實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間限制以及在實(shí)驗(yàn)期間可以正確檢測到的信號類型。

參考信號

參考信號的準(zhǔn)確性對于實(shí)驗(yàn)的成功至關(guān)重要。參考信號可以由本地振蕩器在內(nèi)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(gè)信號都有一個(gè)最大頻率——有時(shí)是一個(gè)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(jìn)行準(zhǔn)確的測量。以 dBc/Hz 表示的相位噪聲也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

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(guān)于是誰發(fā)明了它的討論，但第一篇論文出現(xiàn)在 1941 年 [3]。

在下表中，我們比較了市場上的一些模型：

結(jié)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(fù)微弱信號時(shí)非常有效。在選擇商業(yè)模型時(shí)，檢查噪聲水平及其帶寬和過濾能力至關(guān)重要。