锁定放大器类型及特性

在本文中，我们将讨论锁定放大器的实用方面，包括不同类型的锁定放大器及其主要特性。

由于锁定放大器的目的是从高噪声环境中恢复信号，因此设计实验时最相关的一点是测试设置中的噪声。因此，我们还将在本文中回顾可能的噪声源。最后，我们将介绍一些市场上可用的锁定放大器。

锁定放大器的类型

模拟或数字

当第一个锁定放大器出现时，它的所有组件（滤波器、乘法器、移相器等）都是纯模拟的。由于技术的发展以及数字信号处理器（DSP）的价格下降，一些部件，如滤波器或放大器，变成了数字化的。

然而，在非常特殊的情况下，模拟部件非常有用。这就是为什么一些放大器仍然保持其某些组件模拟的原因。实际上，纯数字锁定放大器并不存在，因为像输入滤波器或放大器这样的级仍然是模拟的。

单相或双相检测器

正如我们在上一篇文章中回顾零差收发器时看到的，锁定放大器的支柱使用参考信号来恢复同相 (I)分量；他们还使用相同的 90º 偏移信号来恢复正交 (Q)分量。因此，双相锁定放大器可以检测两个分量，而单相放大器只检测同相分量。

双相和双通道锁定放大器之间的区别有时可能会令人困惑。双相锁定放大器可以检测相位和正交分量，而双通道锁定放大器可以测量两种不同的信号。因此，可以有双相单通道锁定放大器以及单通道双相锁定放大器。

锁定放大器噪声源

我们已经看到，当目标是从非常嘈杂的环境中恢复信号时，锁定放大器是一个很好的工具。在旨在对抗噪声的实验中使用锁定放大器时，您必须首先了解噪声的来源。

热噪声

热噪声，也称为约翰逊-奈奎斯特噪声，是由固定电荷载流子（即电子）的热波动引起的。这些波动是由温度变化引起的，与施加的电压无关。每个电阻都会产生热噪声，根据 Nyquist [1] 最初进行的实验，可以用以下公式表示：

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

在这个公式中，k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，是带宽，R是电阻值。这个公式说明了仔细选择所有模拟级的电阻值同时尽可能减少不必要的带宽的重要性。ΔF

散粒噪声

电流是由离散电荷（电子或空穴）的流动引起的，具体取决于结的类型。由于这些电荷不是连续的而是离散的，因此电荷的流动是不均匀的，从而导致统计噪声。这个原理可以用下面的表达式来概括：

这里，q是电子电荷，I是电路中施加的 RMS 电流， 是带宽。使用锁定放大器时，输入带宽通常很小，因此散粒噪声对测量的影响不大。ΔF

1/f 噪声

也称为粉红噪声或闪烁噪声，1/f 噪声的确切来源尚未准确找到，但它在不同分量中得到了很好的表征。

噪声量与频率成反比。这就是为什么在低频实验中难以进行准确测量的原因。

闪烁噪声的功率谱密度 (PSD)。图片由 Behraad Bahreyni [2] 提供

粉红噪声呈现出一个角频率 f c， 从那里噪声是均匀的。该频率取决于每个组件（电阻器、二极管、晶体管等）的性质。

有关电噪声及其来源的更全面讨论，您可以查看 Robert Keim 关于该主题的技术文章。

选择合适的锁定放大器

在为实验选择或构建锁定放大器之前，您应该了解一些可能指导您做出决定的关键特征。

输入噪声

由放大器内部组件引起的不同类型的噪声将决定您进行测量时存在的输入噪声。由于所有噪声类型都是不相干的，所有噪声分量的正交和导致输入处的噪声量。

这个数字总是相对于频率的平方根，它的值通常是 (nV/\\sqrt{Hz})nV/√Hz

最低动态储备

正如我们在上一篇关于锁定放大器基本原理的文章中看到的那样，动态储备是从确定的噪声水平恢复信号的能力。

由于该值取决于所选的比例，制造商以对数单位提供最小动态储备。

锁定放大器 SR-844 的规格，表示最小动态储备。图片由 斯坦福研究系统公司提供

带宽

锁定放大器最相关的方面之一是带宽，它指定了最大频率和最小频率。

由于内部组件固有的噪声水平，该最小值受到限制。闪烁噪声与频率成反比。然后，为了保证所有频率范围内的指定噪声水平，必须在一些锁定放大器中设置最小频率。

旧型号的带宽为 25 kHz 至 200 MHz，而大多数现代型号可接受的频率范围为 DC 至 600 MHz。

过滤器

解调阶段的滤波器将决定完成实验所需的时间以及输出信号的质量。

制造商提供三个参数：时间常数、滤波器带宽和滤波器滚降。所有这三个因素都是相互关联的，它们提供了实验的持续时间限制以及在实验期间可以正确检测到的信号类型。

参考信号

参考信号的准确性对于实验的成功至关重要。参考信号可以由本地振荡器在内部生成，也可以从外部连接到锁定放大器的端口之一。在这两种情况下，这个信号都有一个最大频率——有时是一个最小值。

相位规格与频率规格一样重要；相位分辨率和相位误差必须足够低才能进行准确的测量。以 dBc/Hz 表示的相位噪声也是一个关键参数。

商业模型

如今，有不同的制造商提供锁定放大器。由于锁定放大器是一种特殊的仪器，因此制造商的名单并不庞大。关于是谁发明了它的讨论，但第一篇论文出现在 1941 年 [3]。

在下表中，我们比较了市场上的一些模型：

结论

锁定放大器是非常精确的仪器，在从高噪声环境中恢复微弱信号时非常有效。在选择商业模型时，检查噪声水平及其带宽和过滤能力至关重要。