【導(dǎo)讀】當(dāng)個(gè)鎖定放大器出現(xiàn)時(shí)，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(jià)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(dāng)個(gè)鎖定放大器出現(xiàn)時(shí)，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(jià)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(shí)際上，純數(shù)字鎖定放大器并不存在，因?yàn)檩斎霝V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(shí)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(gè)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(shí)可能會(huì)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(gè)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(dāng)目標(biāo)是從非常嘈雜的環(huán)境中恢復(fù)信號時(shí)，鎖定放大器是一個(gè)很好的工具。當(dāng)在旨在對抗噪聲的實(shí)驗(yàn)中使用鎖相放大器時(shí)，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(dòng)引起的。這些波動(dòng)是由溫度變化引起的，并且與施加的電壓無關(guān)。每個(gè)電阻都會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，根據(jù) Nyquist [1] 初進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，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(xì)選擇所有模擬級電阻值同時(shí)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(dòng)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(dòng)不均勻，從而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)噪聲。這個(gè)原理可以用下面的表達(dá)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(shí)，輸入帶寬通常很小，因此散粒噪聲不會(huì)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(shí)驗(yàn)中進(jìn)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(gè)角頻率fc ，從這里噪聲是均勻的。該頻率取決于每個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行測量時(shí)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(dòng)態(tài)儲(chǔ)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(dòng)態(tài)儲(chǔ)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(biāo)度，因此制造商以對數(shù)單位提供動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備。
鎖相放大器 SR-844 的規(guī)格，指示動(dòng)態(tài)儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間以及輸出信號的質(zhì)量。
制造商提供三個(gè)參數(shù)：時(shí)間常數(shù)、濾波器帶寬和濾波器滾降。所有這三個(gè)因素都是相互關(guān)聯(lián)的，它們提供了實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間限制以及實(shí)驗(yàn)期間可以正確檢測到的信號類型。
參考信號
參考信號的準(zhǔn)確性對于實(shí)驗(yàn)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(gè)頻率，有時(shí)也有一個(gè)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(jìn)行準(zhǔn)確的測量。以 dBc/Hz 表示的相位噪聲也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
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