有時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)需要測(cè)量極低電壓信號(hào)——低至納伏級(jí)別或更小。我們可能認(rèn)為這不是問(wèn)題，理所當(dāng)然地認(rèn)為可以使用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器來(lái)放大此類(lèi)信號(hào)。

然而，我們想錯(cuò)了。因?yàn)槲覀兺丝紤]噪聲。

如果信號(hào)被放大了，那么伴隨的噪聲也會(huì)被放大。因此，即使我們放大了所需的信號(hào)，也無(wú)法將其與背景噪聲區(qū)分開(kāi)來(lái)。

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(cè)量一個(gè)頻率為100 KHz、幅度為50 nV的正弦波。這個(gè)頻率不算很高，所以常規(guī)的儀器如示波器或萬(wàn)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(hào)和噪聲將分別是：

什么是零差接收機(jī)？

在深入探討之前，我們先回顧一個(gè)相對(duì)的老的概念。

當(dāng)天線發(fā)送信號(hào)時(shí)，信號(hào)通常不會(huì)直接以基帶形式發(fā)送，而是使用載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。這個(gè)載波或參考信號(hào)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(jī)（和發(fā)射機(jī)）僅使用一個(gè)頻率來(lái)上下移動(dòng)信號(hào)，與異頻接收機(jī)不同，異頻接收機(jī)使用中間頻率。

基本的零中頻接收機(jī)，具有以下特點(diǎn)：

圖1

接收到的信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)帶通濾波器進(jìn)行濾波，然后通過(guò)一個(gè)低噪聲放大器（LNA）進(jìn)行放大。一個(gè)本地振蕩器生成一個(gè)頻率為fo的參考信號(hào)。這個(gè)信號(hào)被移相90°，從而生成正交信號(hào)。

這個(gè)接收機(jī)也被稱(chēng)為I/Q解調(diào)器，因?yàn)樗褂昧薎（sinωot）和Q（cosωot）這兩個(gè)分量。

在最后階段，每個(gè)分量都通過(guò)一個(gè)低通濾波器進(jìn)行濾波。因?yàn)槲覀儗⒂盟鼇?lái)理解鎖相放大器。

如果信號(hào)
s(t) = Acos(ωst)
，通過(guò)零中頻發(fā)射機(jī)發(fā)送，它會(huì)在接收端與參考信號(hào)以同樣的方式進(jìn)行相乘，具體如下：

因此，將兩個(gè)信號(hào)相乘會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)新的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)分別以頻率 ωc+ωs 和 ωc?ωs 進(jìn)行偏移。我們可以在時(shí)域和頻域中直觀地觀察這一結(jié)果：

圖2. s(t) 是一個(gè)低頻信號(hào)

圖3. sc(t) 是一個(gè)高頻信號(hào)

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(hào)

圖5

圖6

這里有一個(gè)核心點(diǎn)需要注意，那就是相位信息會(huì)依賴(lài)于變量 ??。這就意味著，參考信號(hào)的相位質(zhì)量會(huì)直接影響到我們最終恢復(fù)出的信號(hào)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(shí)非常類(lèi)似于一個(gè)零中頻接收機(jī)，只是有一些細(xì)微的差別。這個(gè)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(hào)與我們想要測(cè)量的信號(hào)是相干的，并且沒(méi)有其他信號(hào)會(huì)干擾它。簡(jiǎn)而言之，它幫助我們精確地捕捉和測(cè)量我們需要的信號(hào)。

相敏檢測(cè)

乘法器模塊也被稱(chēng)為混頻器或相位敏感探測(cè)器，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)依賴(lài)于參考信號(hào)與測(cè)量信號(hào)之間的相位差。

在正常情況下，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相乘時(shí)，參考信號(hào)的頻率將與測(cè)量信號(hào)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(xiàng)：

1. 一個(gè)頻率為2fs的高頻信號(hào)，通常會(huì)被濾除；

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

因此，鎖相放大器總是能產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的信號(hào)。

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備：我的信號(hào)可以有多?。?/span>

“動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備”是鎖相放大器中的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于描述其從特定噪聲水平中恢復(fù)信號(hào)的能力。它的一般定義是最大可容忍噪聲信號(hào)與滿(mǎn)量程信號(hào)的比值。

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備通常以分貝（dB）的對(duì)數(shù)尺度來(lái)表示。例如，在滿(mǎn)量程為1μV的情況下，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備為120 dB意味著噪聲可以高達(dá)1V，而不會(huì)使放大鏈飽和。

重要的是要注意，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備取決于所選的滿(mǎn)量程。否則，在選擇大的滿(mǎn)量程值時(shí)，鎖相放大器將不得不能夠測(cè)量巨大的輸入信號(hào)。

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(diǎn)：

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(cè)量極低電壓時(shí)，它們可能是唯一的解決方案。

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

3. 參考信號(hào)的質(zhì)量決定了信號(hào)檢測(cè)的成功與否。