一、什么是鎖相放大器

鎖相放大器 (Lock-in Amplifier) 是用于檢測(cè)和測(cè)量非常微小的交流信號(hào)的儀器 - 最低可達(dá)幾納伏。即使微弱信號(hào)被數(shù)千倍更大的噪聲淹沒(méi)，仍可以進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。

鎖相放大器采用一種稱為相敏檢測(cè)的技術(shù)，可以單獨(dú)識(shí)別特定參考頻率和相位的信號(hào)成分。 位于參考頻率以外的噪聲信號(hào)會(huì)被抑制，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

二、為什么要使用鎖相放大器?

讓我們來(lái)看一個(gè)例子。假設(shè)信號(hào)是 10 kHz 的 10 nV 正弦波。顯然需要某種放大手段。一個(gè)好的低噪聲放大器可能具有大約 5 nV/√Hz 的輸入噪聲。如果放大器帶寬為 100 kHz，增益為 1000，那么我們可以期望我們的輸出為 10 μV 的信號(hào) (10 nV × 1000) 和 1.6 mV 的寬帶噪聲 (5 nV/√Hz × √100 kHz × 1000)。如果不單獨(dú)分離出感興趣的頻率，我們將很難測(cè)量輸出信號(hào)。

如果在放大器后面級(jí)聯(lián)一個(gè)品質(zhì)因數(shù) (Q) 為 100 的帶通濾波器 (一個(gè)非常好的濾波器) ，中心頻率為 10 kHz，則任何落在 100 Hz 帶寬內(nèi)的信號(hào)都將被檢測(cè)到 (10 kHz/Q)。濾波器通帶內(nèi)的噪聲將為 50 μV (5 nV/√Hz × √100 Hz × 1000)，信號(hào)仍然為 10 μV。輸出噪聲仍然遠(yuǎn)大于信號(hào)，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。進(jìn)一步放大對(duì)信噪比問(wèn)題沒(méi)有幫助。

現(xiàn)在嘗試在放大器后面加入一個(gè)相敏檢測(cè)器 (PSD)。PSD 可以檢測(cè) 10 kHz 的信號(hào)，帶寬可窄至 0.01 Hz!在這種情況下，檢測(cè)帶寬內(nèi)的噪聲將只有 0.5 μV (5 nV/√Hz × √0.01 Hz × 1000)，而信號(hào)仍然為 10 μV。此時(shí)信噪比為 20，可以進(jìn)行信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。

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