【導(dǎo)讀】當個鎖定放大器出現(xiàn)時，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) 價格的降低，一些部件（例如濾波器或放大器）變得數(shù)字化。
模擬或數(shù)字
當個鎖定放大器出現(xiàn)時，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) 價格的降低，一些部件（例如濾波器或放大器）變得數(shù)字化。
然而，在某些非常特殊的情況下，模擬部件非常有用。這就是為什么一些放大器仍然保留其某些組件模擬的原因。實際上，純數(shù)字鎖定放大器并不存在，因為輸入濾波器或放大器等級仍然是模擬的。
單相或雙相檢測器
正如我們在回顧上一篇文章中的零差收發(fā)器時所看到的，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 90° 偏移信號來恢復(fù)正交 (Q)分量。因此，雙相鎖定放大器可檢測兩個分量，而單相鎖定放大器僅檢測同相分量。
雙相和雙通道鎖定放大器之間的區(qū)別有時可能會令人困惑。雙相位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個不同的信號。因此，可以具有雙相單通道鎖定放大器以及單通道雙相鎖定放大器。
鎖相放大器噪聲源
我們已經(jīng)看到，當目標是從非常嘈雜的環(huán)境中恢復(fù)信號時，鎖定放大器是一個很好的工具。當在旨在對抗噪聲的實驗中使用鎖相放大器時，您必須首先了解噪聲從何而來。
熱噪聲
熱噪聲，也稱為約翰遜-奈奎斯特噪聲，是由靜止電荷載流子（即電子）的熱波動引起的。這些波動是由溫度變化引起的，并且與施加的電壓無關(guān)。每個電阻都會產(chǎn)生熱噪聲，根據(jù) Nyquist [1] 初進行的實驗，可以用以下公式表示：
[V_{熱}(rms)=sqrt{4kTRDelta f}]
在此公式中，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是開爾文溫度，(Delta f )是帶寬，R是電阻值。該公式說明了仔細選擇所有模擬級電阻值同時盡可能減少不必要帶寬的重要性。
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，因此電荷的流動不均勻，從而導(dǎo)致統(tǒng)計噪聲。這個原理可以用下面的表達式來概括：
[I_{shot}(rms)=sqrt {2qI Delta f}]
這里，q是電子電荷，I是電路中施加的 RMS 電流， (Delta f )是帶寬。使用鎖定放大器時，輸入帶寬通常很小，因此散粒噪聲不會對測量產(chǎn)生太大影響。
1/f 噪聲
1/f 噪聲也稱為粉紅噪聲或閃爍噪聲，尚未確切找到其確切來源，但它在不同組件中得到了很好的表征。
噪聲量與頻率成反比。這就是為什么很難在低頻實驗中進行測量的原因。
閃爍噪聲的功率譜密度 (PSD)。圖片由 Behraad Bahreyni 提供 [2]
粉紅噪聲呈現(xiàn)出一個角頻率fc ，從這里噪聲是均勻的。該頻率取決于每個組件（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的討論，您可以查看 Robert Keim 關(guān)于該主題的技術(shù)文章。
選擇合適的鎖相放大器
在為實驗選擇或構(gòu)建鎖定放大器之前，您應(yīng)該了解一些可以指導(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行測量時出現(xiàn)的輸入噪聲。由于所有噪聲類型都是不相干的，因此所有噪聲分量的正交和得出輸入處的噪聲量。
該數(shù)字始終與頻率的平方根相關(guān)，其值通常約為(nV/sqrt{Hz})
動態(tài)儲備
正如我們在上一篇有關(guān)鎖定放大器基礎(chǔ)知識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標度，因此制造商以對數(shù)單位提供動態(tài)儲備。
鎖相放大器 SR-844 的規(guī)格，指示動態(tài)儲備。圖片由 斯坦福研究系統(tǒng)提供
帶寬
鎖定放大器相關(guān)的方面之一是帶寬，它指定頻率和頻率。
由于內(nèi)部組件固有的噪聲水平，該值受到限制。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驗所需的時間以及輸出信號的質(zhì)量。
制造商提供三個參數(shù)：時間常數(shù)、濾波器帶寬和濾波器滾降。所有這三個因素都是相互關(guān)聯(lián)的，它們提供了實驗的持續(xù)時間限制以及實驗期間可以正確檢測到的信號類型。
參考信號
參考信號的準確性對于實驗的成功至關(guān)重要。參考信號可以由本地振蕩器內(nèi)部生成，也可以外部連接到鎖定放大器的端口之一。在這兩種情況下，該信號都有一個頻率，有時也有一個頻率。
相位規(guī)格與頻率規(guī)格同樣重要；相位分辨率和相位誤差必須足夠低才能進行準確的測量。以 dBc/Hz 表示的相位噪聲也是一個關(guān)鍵參數(shù)。
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