斯坦福鎖相放大器檢測微弱信號

　　鎖相放大器，是一種可以從干擾極大的環境中對特定頻率的電學信號進行提取，還能進一步聚焦和鎖定特定相位上步調一致成分的電子學儀器，從而濾除噪聲，達到微弱信號檢測的目的。今天安泰測試為大家介紹用斯坦福鎖相放大器檢測為微弱信號的方法。

　　假設要放大的信號是10nV，10kHz的正弦波信號，性能較好的低噪聲放大器的輸入噪聲有5nV/√Hz。

　　1. 放大器的帶寬為100kHz，增益為1000，待測信號放大后為

　　10nv×1000=10μV

　　2. 輸入噪聲為

　　5 nV/√Hz×√100kHz×1000=1.6mV

　　噪聲遠大于待測信號幅值，無法檢測。

　　3. 在放大器后面加一個理想的帶通濾波器，其品質因子Q=100，中心頻率為10kHz，則頻率在9.95kHz-10.05kHz范圍內的信號

　　都會被有效地檢測到，頻率范圍計算過程如下

　　10kHz÷Q=100Hz，10kHz-100Hz/2=9.95kHz，10kHz+100Hz/2=10.05kHz

　　4. 待測信號依舊是10μV，噪聲經濾波器濾波后變為

　　5 nV/√Hz×√100Hz×1000=50μV

　　噪聲仍然比待測信號大很多，無法檢測。

　　5. 不用帶通濾波器，在放大器后面加一個相敏檢測器PSD。PSD可以在帶寬為0.01Hz的情況下，檢測到10kHz的信號

　　6. 此時，待測信號仍然為10μV，而噪聲為

　　5 nV/√Hz×√0.01Hz×1000=0.5μV

　　信噪比為10μV/0.5μV=20，可以檢測。

　　鎖相放大器檢測原理

　　相敏檢測技術

　　利用與待測信號具有相同頻率和固定相位關系的參考信號為基準，濾除頻率與參考信號頻率不同的噪聲。

　　1. 被測輸入信號Vs=Acos(ωt+θ)

　　參考輸入信號Vr=Bcos(ωt+φ)

　　A、B是信號的幅值，ω是角頻率，θ、φ是相位角。

　　被測信號與參考信號頻率相同

　　2. 先將被測信號用一個低噪聲放大器放大，使信號幅值達到能被模擬器件感應到的范圍。

　　3. 被測信號和參考信號經混頻器混頻，即兩信號相乘

　　Vpsd=Vs×Vr=AB/2[cos(2wt+θ+φ)+cos(θ-φ)]

　　當然經混頻器輸出的信號還有噪聲與Vr的乘積，所以Vpsd中含有直流項，2w項以及噪聲與Vr的乘積。因為噪聲中含有w角頻率的信號概率很小，所以可以認為直流項只與被測信號成正相關。

　　4. Vpsd經一個截止頻率很低的低通濾波器濾波，可以看作只保留直流成分，這樣輸出信號中的噪聲水平就很小了。

　　5. 因為直流項為AB/2*cos(θ-φ)，如果θ-φ=90°，此直流項就成為0了，那我們就不能檢測到待測信號了。但是我們又不知道待測

　　信號的相位θ，所以無法設置參考信號的相位與待測信號相同。

　　6. 解決辦法是，將參考信號分為兩路，一路保持不變，與待測信號混頻，得到直流項

　　Vpsd1= AB/2*cos(θ-φ)

　　另一路經移相器，相位減90°，再和待測信號混頻，得到直流項

　　Vpsd2= AB/2*cos(θ-90°-φ)=AB/2*sin(θ-φ)

　　7. 求Vpsd1和Vpsd2的平方和，再開平方，得

　　Vpsd=AB/2

　　與相位無關，這樣就可以檢測到待測信號的幅值變化了，大功告成。

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