锁相放大器工作原理

1.微弱信号检测

假设要放大的信号是10nV,10kHz的正弦波信号,好的低噪声放大器的输入噪声有5nV/√Hz。

放大器的带宽为100kHz,增益为1000,待测信号放大后为10nv×1000=10μV。

输入噪声为5 nV/√Hz×√100kHz×1000=1.6mV,噪声远大于待测信号幅值,淹没信号。

在放大器后面加一个理想的带通滤波器,其品质因子Q=100,中心频率在10kHz,则频率在9.95kHz-10.05kHz范围内的信号都会被有效地检测到。

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

待测信号依旧是10μV,噪声经滤波器滤波后为5 nV/√Hz×√100Hz×1000=50μV,

噪声仍然比待测信号大很多,无法检测。

不用带通滤波器,在放大器后面加一个相敏检测器PSD。PSD可以在带宽为0.01Hz的情况下,检测到10kHz的信号。

此时,待测信号仍然为10μV,而噪声为5 nV/√Hz×√0.01Hz×1000=0.5μV

信噪比为10μV/0.5μV=20,可以检测。

2.相敏检测技术

利用与待测信号具有相同频率和固定相位关系的参考信号为基准,滤除频率与参考信号频率不同的噪声。

3.相关测量法

被测输入信号Vs=Acos(ωt+θ),A是输入信号的幅值,ω是信号的角频率,θ是信号的相位角

参考输入信号Vr=Bcos(ωt+φ)可知,被测信号与参考信号频率相同

先将被测信号用一个低噪声放大器放大,使信号幅值达到可驱动模拟器件的范围二者经PSD混频器混频,即Vpsd=Vs×Vr=AB/2[cos(2wt+θ+φ)+cos(θ-φ)],当然经混频器输出的信号还有噪声与Vr的乘积。所以Vpsd中含有直流项,2w项以及噪声与Vr的乘积。

因为噪声中含有w频率的信号概率很小,所以可以认为直流项只与被测信号成正相关。Vpsd经一个截止频率很低的低通滤波器滤波,可以看作只保留直流成分,这样输出信号中的噪声水平就很小了。

因为直流项为AB/2*cos(θ-φ),如果θ-φ=90°,此直流项就成为0了。但是我们又不知道待测信号的相位θ,所以无法设置参考信号的相位与待测信号相同解决办法是,将参考信号分为两路,一路保持不变,与待测信号混频,得到直流项Vpsd1= AB/2*cos(θ-φ)。 另一路经移相器,相位减90°,再和待测信号混频,得到直流项

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

求Vpsd1和Vpsd2的平方和,再求算数平方根,得

Vpsd=AB/2

与相位无关。

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转载自blog.csdn.net/Cretheego/article/details/133083866
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