有時我們會發(fā)現(xiàn)需要測量極低電壓信號——低至納伏級別或更小。我們可能認(rèn)為這不是問題，理所當(dāng)然地認(rèn)為可以使用傳統(tǒng)的運算放大器來放大此類信號。

然而，我們想錯了。因為我們忘了考慮噪聲。

如果信號被放大了，那么伴隨的噪聲也會被放大。因此，即使我們放大了所需的信號，也無法將其與背景噪聲區(qū)分開來。

在這種情況下，解決方案是鎖相放大器。本文介紹了鎖相放大器的基本原理及其主要特性。

想象一下，你想要測量一個頻率為100 KHz、幅度為50 nV的正弦波。這個頻率不算很高，所以常規(guī)的儀器如示波器或萬用表有足夠的帶寬。但另一方面，幅度相當(dāng)?shù)?，因此?dāng)然需要一些放大。

在這里，我們可以使用低噪聲放大器（LNA），比如AD8429，其輸入噪聲為2 nV/√Hz，帶寬為1.2 MHz，增益為100。輸出信號和噪聲將分別是：

什么是零差接收機？

在深入探討之前，我們先回顧一個相對的老的概念。

當(dāng)天線發(fā)送信號時，信號通常不會直接以基帶形式發(fā)送，而是使用載波信號進行調(diào)制。這個載波或參考信號的頻率范圍可以從幾千赫茲到幾兆赫茲，具體取決于可用的技術(shù)、功耗和成本。

零中頻接收機（和發(fā)射機）僅使用一個頻率來上下移動信號，與異頻接收機不同，異頻接收機使用中間頻率。

基本的零中頻接收機，具有以下特點：

圖1

接收到的信號首先通過一個帶通濾波器進行濾波，然后通過一個低噪聲放大器（LNA）進行放大。一個本地振蕩器生成一個頻率為fo的參考信號。這個信號被移相90°，從而生成正交信號。

這個接收機也被稱為I/Q解調(diào)器，因為它使用了I（sinωot）和Q（cosωot）這兩個分量。

在最后階段，每個分量都通過一個低通濾波器進行濾波。因為我們將用它來理解鎖相放大器。

如果信號
s(t) = Acos(ωst)
，通過零中頻發(fā)射機發(fā)送，它會在接收端與參考信號以同樣的方式進行相乘，具體如下：

因此，將兩個信號相乘會產(chǎn)生兩個新的信號，這兩個信號分別以頻率 ωc+ωs 和 ωc?ωs 進行偏移。我們可以在時域和頻域中直觀地觀察這一結(jié)果：

圖2. s(t) 是一個低頻信號

圖3. sc(t) 是一個高頻信號

圖4. 結(jié)果中可以清晰地觀察到慢變化分量（包絡(luò)）和快變化分量（調(diào)制）的結(jié)合的高頻信號

圖5

圖6

這里有一個核心點需要注意，那就是相位信息會依賴于變量 ??。這就意味著，參考信號的相位質(zhì)量會直接影響到我們最終恢復(fù)出的信號的質(zhì)量。

鎖相放大器原理

圖7展示了基本的鎖相放大器。

圖7

它其實非常類似于一個零中頻接收機，只是有一些細微的差別。這個系統(tǒng)的核心是相位移位器和乘法器。這種設(shè)置確保了輸出信號與我們想要測量的信號是相干的，并且沒有其他信號會干擾它。簡而言之，它幫助我們精確地捕捉和測量我們需要的信號。

相敏檢測

乘法器模塊也被稱為混頻器或相位敏感探測器，因為輸出信號依賴于參考信號與測量信號之間的相位差。

在正常情況下，當(dāng)兩個信號相乘時，參考信號的頻率將與測量信號的頻率相同，即ωs = ωc。相乘的結(jié)果為：

s(t) * sc(t) = A^2 (cos((2ωs)t + ?1 + ?2) + cos(?2 - ?1))

結(jié)果包含兩項：

1. 一個頻率為2fs的高頻信號，通常會被濾除；

2. 一個直流信號A^2cos(?2 - ?1)，其大小與參考信號和期望信號之間的相位差成正比。

因此，鎖相放大器總是能產(chǎn)生一個連續(xù)的信號。

動態(tài)儲備：我的信號可以有多??？

“動態(tài)儲備”是鎖相放大器中的一個術(shù)語，用于描述其從特定噪聲水平中恢復(fù)信號的能力。它的一般定義是最大可容忍噪聲信號與滿量程信號的比值。

動態(tài)儲備通常以分貝（dB）的對數(shù)尺度來表示。例如，在滿量程為1μV的情況下，動態(tài)儲備為120 dB意味著噪聲可以高達1V，而不會使放大鏈飽和。

重要的是要注意，動態(tài)儲備取決于所選的滿量程。否則，在選擇大的滿量程值時，鎖相放大器將不得不能夠測量巨大的輸入信號。

基礎(chǔ)鎖相放大器總結(jié)

我希望這篇文章能幫助你更深入地了解鎖相放大器及其用途。我們可以將發(fā)現(xiàn)總結(jié)為以下幾點：

1. 鎖相放大器基于同頻收發(fā)器的概念，在存在大量噪聲的情況下測量極低電壓時，它們可能是唯一的解決方案。

2. 鎖相放大器始終提供與測量信號和參考信號之間相位差成正比的連續(xù)信號。

3. 參考信號的質(zhì)量決定了信號檢測的成功與否。