锁相放大器是什么？

有时我们会发现需要测量极低电压信号——低至纳伏级别或更小。我们可能认为这不是问题，理所当然地认为可以使用传统的运算放大器来放大此类信号。

然而，我们想错了。因为我们忘了考虑噪声。

如果信号被放大了，那么伴随的噪声也会被放大。因此，即使我们放大了所需的信号，也无法将其与背景噪声区分开来。

在这种情况下，解决方案是锁相放大器。本文介绍了锁相放大器的基本原理及其主要特性。

想象一下，你想要测量一个频率为100 KHz、幅度为50 nV的正弦波。这个频率不算很高，所以常规的仪器如示波器或万用表有足够的带宽。但另一方面，幅度相当低，因此当然需要一些放大。

在这里，我们可以使用低噪声放大器（LNA），比如AD8429，其输入噪声为2 nV/√Hz，带宽为1.2 MHz，增益为100。输出信号和噪声将分别是：

什么是零差接收机？

在深入探讨之前，我们先回顾一个相对的老的概念。

当天线发送信号时，信号通常不会直接以基带形式发送，而是使用载波信号进行调制。这个载波或参考信号的频率范围可以从几千赫兹到几兆赫兹，具体取决于可用的技术、功耗和成本。

零中频接收机（和发射机）仅使用一个频率来上下移动信号，与异频接收机不同，异频接收机使用中间频率。

基本的零中频接收机，具有以下特点：

图1

接收到的信号首先通过一个带通滤波器进行滤波，然后通过一个低噪声放大器（LNA）进行放大。一个本地振荡器生成一个频率为fo的参考信号。这个信号被移相90°，从而生成正交信号。

这个接收机也被称为I/Q解调器，因为它使用了I（sinωot）和Q（cosωot）这两个分量。

在最后阶段，每个分量都通过一个低通滤波器进行滤波。因为我们将用它来理解锁相放大器。

如果信号
s(t) = Acos(ωst)
，通过零中频发射机发送，它会在接收端与参考信号以同样的方式进行相乘，具体如下：

因此，将两个信号相乘会产生两个新的信号，这两个信号分别以频率 ωc+ωs 和 ωc−ωs 进行偏移。我们可以在时域和频域中直观地观察这一结果：

图2. s(t) 是一个低频信号

图3. sc(t) 是一个高频信号

图4. 结果中可以清晰地观察到慢变化分量（包络）和快变化分量（调制）的结合的高频信号

图5

图6

这里有一个核心点需要注意，那就是相位信息会依赖于变量 ϕ₁。这就意味着，参考信号的相位质量会直接影响到我们最终恢复出的信号的质量。

锁相放大器原理

图7展示了基本的锁相放大器。

图7

它其实非常类似于一个零中频接收机，只是有一些细微的差别。这个系统的核心是相位移位器和乘法器。这种设置确保了输出信号与我们想要测量的信号是相干的，并且没有其他信号会干扰它。简而言之，它帮助我们精确地捕捉和测量我们需要的信号。

相敏检测

乘法器模块也被称为混频器或相位敏感探测器，因为输出信号依赖于参考信号与测量信号之间的相位差。

在正常情况下，当两个信号相乘时，参考信号的频率将与测量信号的频率相同，即ωs = ωc。相乘的结果为：

s(t) * sc(t) = A^2 (cos((2ωs)t + ϕ1 + ϕ2) + cos(ϕ2 - ϕ1))

结果包含两项：

1. 一个频率为2fs的高频信号，通常会被滤除；

2. 一个直流信号A^2cos(ϕ2 - ϕ1)，其大小与参考信号和期望信号之间的相位差成正比。

因此，锁相放大器总是能产生一个连续的信号。

动态储备：我的信号可以有多小？

“动态储备”是锁相放大器中的一个术语，用于描述其从特定噪声水平中恢复信号的能力。它的一般定义是最大可容忍噪声信号与满量程信号的比值。

动态储备通常以分贝（dB）的对数尺度来表示。例如，在满量程为1µV的情况下，动态储备为120 dB意味着噪声可以高达1V，而不会使放大链饱和。

重要的是要注意，动态储备取决于所选的满量程。否则，在选择大的满量程值时，锁相放大器将不得不能够测量巨大的输入信号。

基础锁相放大器总结

我希望这篇文章能帮助你更深入地了解锁相放大器及其用途。我们可以将发现总结为以下几点：

1. 锁相放大器基于同频收发器的概念，在存在大量噪声的情况下测量极低电压时，它们可能是唯一的解决方案。

2. 锁相放大器始终提供与测量信号和参考信号之间相位差成正比的连续信号。

3. 参考信号的质量决定了信号检测的成功与否。