1、第四章 锁定放大电路设计与应用,4.1 锁定放大概述 4.2 相敏检测 4.3 锁定放大器的组成与部件 4.4 性能指标与动态协调 4.5 锁定放大应用,4.1 锁定放大概述,设混有噪声的正弦调制信号为:,4.1 锁定放大概述,锁定放大器(lock-in amplifier, LIA)自问世以来,在微弱信号检测方面显示出优秀的性能,在科学研究的各个领域得到了广泛的应用.,设混有噪声的正弦调制信号为:,(1) Q值非常高的带通滤波器在实际中往往很难实现.(2) Q值高的BPF往往不稳定，温度、电源电压的波动均会使滤波器的中心频率发生变化,从而导致其通频带不能覆盖信号频率,使得测量系统无法可靠地进
2、行测量.,4.1 锁定放大概述,锁定放大器抑制噪声有3个基本出发点:,(1) 用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率 处,再进行放大,以避开1/f噪声的不利影响.,(2) 利用相敏检测器实现调制信号的解调过程,可以同时利用频率和相角进行检测,噪声与信号同频又同相的概率很低.,(3) 用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声.LPF的频带可以做得很窄,而且其频带宽度不受调制频率的影响,稳定性也远远优于BPF.,4.1 .1 锁定放大器中的频谱迁移,(1) 锁定放大器继承了调制放大器使用交流放大,而不使用直流放大的原理,从而避开了幅度较大的1/f噪声;(2) 同时又用相敏检测器实现解调,
3、用稳定性更高的低通滤波器实现窄带化过程,从而使检测系统的性能大为改善.,4.1 .2 锁定放大器中的工作原理,(1) 信号通道对调制正弦信号输入进行交流放大,将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平,并且要滤除部分干扰和噪声,以提高相敏检测的动态范围.(2) 参考通道对参考输入进行放大或衰减,以适应相敏检测器对幅度的要求.(3) PSD实现频谱迁移过程.,4.2 相敏检测,相敏检测器是锁定放大器的核心部件,它既鉴幅,又鉴相,其输出不但取决于输入信号的幅度,而且取决于输入信号与参考信号的相位差. (1)模拟乘法器型相敏检测器(2)电子开关式相敏检测器,4.2.1 模拟乘法器型相敏检测器,(1
4、) x(t)与r(t)均为正弦波(2) x(t) 为正弦波,r(t)为方波(3) x(t) 为正弦波含单频噪声,r(t)为正弦波(4) x(t) 为正弦波含窄带噪声,r(t)为正弦波(5) x(t) 为正弦波含噪声,r(t)为方波(6) x(t)与r(t)均为方波,(1) x(t)与r(t)均为正弦波,幅频特性和相频特性,等效噪声带宽,一阶RC低通滤波器的等效噪声带宽为：1/(4RC) 相敏检测器的等效噪声带宽为其两倍,(2) x(t) 为正弦波,r(t)为方波,(3) x(t) 为正弦波含单频噪声,r(t)为正弦波,(4) x(t) 为正弦波含窄带噪声,r(t)为正弦波,窄带噪声及其正交分量
5、的功率谱密度函数,(4) x(t) 为正弦波含窄带噪声,r(t)为正弦波,x(t)为正弦波含窄带噪声情况下的信噪改善比,Bi为相敏检波器前的选频放大器的带宽,也是输入到相敏检测器的窄带噪声的带宽.Be为相敏检测器的等效噪声带宽.,(1) Be可做到很窄, Bi不可能太窄,从而使得相敏检测器的信噪改善比较大,具有很好的抑制噪声作用.,(2)即使Be =Bi,相敏检测器的相敏特性也对不同相位的噪声具有一定的抑制作用,噪声和信号同频又同相的概率很低.,x(t)为正弦波含窄带噪声情况下的信噪改善比,(3) 上式表明,只要 ,就可以得到很大的信噪改善比.实际应用中,模拟乘法器有可能进入其非线性区,称之为
6、PSD过载,这时输出信噪比会迅速恶化.(4)太大的时间常数必然使系统的响应速度变慢,而且对被测信号的高频成份衰减较大.,(5) x(t) 为正弦波含噪声,r(t)为方波,方波为参考信号的相敏检测器的谐波响应,消除谐波响应不利影响的最常用方法,是在信号通道中加入中心频率为 的带通滤波器,利用其窄带滤波作用滤除各高次谐波处的噪声.,(6) x(t) 和r(t)都为方波,4.2.2 电子开关型相敏检测器,模拟乘法器型相敏检测器的缺点:,(1) 为了保证输出信号具有一定的精度,必须保证参考信号的幅度保持更高级的精度,这在实际实现时可能有一定的困难;(2) 有的模拟乘法器器件还存在一定的非线性,会导致大
7、的输出误差.,因此,目前定型的锁定放大器商业产品均采用开关式相敏检测器.,4.2.2 电子开关型相敏检测器,开关式相敏检测器的优点:,输出幅度不受参考输入信号幅度的影响,而且没有非线性的问题,动态范围大,抗过载能力强;(2) 电路简单,运行速度快,有利于降低成本和提高系统的工作速度.,(1) 变压器式电子开关相敏检测器,a. 要注意变压器特性（频率特性、分布参数特性）对相敏检测器输出的影响； b. 要采用高质量、低损耗的铁芯材料； c. 要采取必要的屏蔽措施。,(2) 运放式电子开关相敏检测器,a. 要注意电子开关速度对工作频率的限制，以及电子开关注入电荷的不利影响； b. 要注意运放的工作速
8、度、失调电压对输出的影响； c. 要确保反相和正相放大器的放大倍数相同，动态特性相似； d. 电子开关K的控制端波形必须是严格的方波。,(3) 电子开关相敏检测器的鉴相特性,(4) 开关式相敏检测器与全波整流的不同,被测慢变信号,放大了的调制信号,解调输出信号,全波整流输出波形,4.3 锁定放大器的组成与部件,(1) 信号通道,信号通道对输入的幅度调制正弦信号进行交流放大、滤波等处理. (1) 前置放大器必须具备低噪声,高增益的特点,而且动态范围要大; (2) 需要设计和制作针对不同传感器的前置放大器; (3) 带通滤波器的设计； (4) 放大器的增益可调。,(2) 参考通道,参考通道的功能是
9、为相敏检测器提供与被测信号相干的控制信号. (1) 参考通道输入端一般都包括放大或衰减电路,以适应各种幅度的参考输入; (2) 参考通道的输出可以是正弦波,也可以是方波.为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度,最好采用方波开关信号,用电子开关实现相敏检测; (3) 移相电路的设计,用模拟门积分比较器或锁相环来实现。,(3) 低通滤波器,锁定放大器改善信噪比的作用主要由低通滤波器实现. (1) LPF的时间常数越大,LIA的通频带宽度越窄,抑制噪声的能力越强; (2) 直流放大器的输入失调电压要小,温度漂移和时间漂移也要小.LPF的拐点频率做成可调的,以适应不同的被测信号频率特性的需
10、要; (3) LIA的各部分电路必须采取必要的屏蔽和接地措施.,4.3.1 正交矢量型锁定放大器,4.3.2 外差式锁定放大器,4.3.3 微机化数字式相敏检测器,优点: 数字式滤波器的等效噪声带宽可以做到非常窄,为检测更微弱的信号提供了可能; 为测量低频信号提供了可能; 具有很高的线性度; 具有很好的灵活性.,4.3.3 微机化数字式相敏检测器,4.5 性能指标与动态协调,满刻度输出时的输入电平FS 过载电平OVL 最小可测信号MDS 输入总动态范围 输出动态范围 动态储备,4.5.1 主要性能指标,4.5 性能指标与动态协调,满刻度输出时的输入电平FS满刻度输出时的输入电平FS表征了锁定放
11、大器的测量灵敏度,它取决于系统的总增益.例如,如果系统的总增益为108,满刻度输出为10V,则其FS输入电平为0.1uV,FS为允许信号峰值.,4.5.1 主要性能指标,4.5 性能指标与动态协调,(2) 过载电平OVL 定义为使LIA任何一级出现临界过载的输入信号电平.当输入信号或噪声的幅值超过过载电平时,系统将引起非线性失真.过载电平为允许的输入噪声最大峰值.,4.5.1 主要性能指标,4.5 性能指标与动态协调,(3) 最小可测信号MDS 定义为能辨别的最小输入信号,是测量值的下限.MDS主要取决于系统漂移,输出端的漂移量折合到输入端即为MDS.,4.5.1 主要性能指标,4.5 性能指
12、标与动态协调,(4) 输入总动态范围,4.5.1 主要性能指标,(5) 输出动态范围,(6) 动态储备,4.5 性能指标与动态协调,输入总动态范围=输出动态范围+动态储备,4.5.1 主要性能指标,4.5 性能指标与动态协调,4.5.2 动态范围与频率的关系,4.5 性能指标与动态协调,4.5.3 动态协调,动态协调：直流增益和交流增益如何分配的问题,4.5 性能指标与动态协调,高稳定工作状态下,被测信号的动态范围较大,但是噪声很容易使PSD过载,适用于输入信噪比比较高的情况.高储备状态下,LIA 中的PSD不易过载,锁定放大器具有良好的抵御噪声能力,但是被测信号的动态范围较小.,4.5 性能
13、指标与动态协调,(a)、(b)的满量程都是10mV，不过由于增益的分配不同，所以输入噪声限幅电平在(a)中为20VP-P，在(b)中为2VP-P 。所以(a)的DR=66dB，(b)的DR=46dB。,4.5 性能指标与动态协调,例1：锁定放大器的动态范围要多大才好？,（1）非常低的MDS，大概在10-4FS数量级以下；（2）十分高的过载电平，加带通放大器使动态储备达到105。（3）十分宽广的总动态范围，达108以上。（4）在任何给定条件下，都可以控制动态协调，使测量最佳化。,例2: 锁定放大器的参考频率为1kHz，信号通道无滤波器时，OVL=100FS。设宽带高斯分布干扰噪声的带宽为40kH
14、z，均方根值为340FS（峰值近似为3*340FS=1020FS）。在信号通道中加入BPF，以使该噪声不至于引起锁定放大器过载，试求BPF的等效噪声带宽Be.（Be=1.57*f/Q),4.5 性能指标与动态协调,4.5 性能指标与动态协调,4.6 锁定放大器应用,在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题: (1) LIA的功能相当于一种抑制噪声能力很强的交流电压表,输入是正弦波或方波交流信号,输出是输入波形幅值的直流信号.如果被测信号不是交流信号,则需要用调制或斩波的方式将其变换成交流信号. (2) LIA中PSD后续的LPF常用积分器来实现,积分器的时间常数决定了LIA的等效噪声带宽,也决定
15、了LIA所实现的信噪改善比SNIR.积分器的时间常数越大,等效噪声带宽越窄,SNIR越大,所需的测量时间也就越长.,4.6 锁定放大器应用,在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题: (3)要根据信号和噪声的具体情况适当地分配LIA的交流增益和直流增益.如果信号的动态范围大,而噪声又不很严重,就应该使LIA工作在高稳定状态;如果噪声严重,为了使LIA能够正常工作,则必须使LIA协调在高储备状态. (4)测量系统良好的屏蔽与接地是LIA发挥其效用的必要条件.,4.6 锁定放大器应用,在锁定放大器应用中需要考虑下列几个问题: (5) LIA的参考信号输入必须是与被测信号相关的同频信号。 (6) LIA的信号输入前置放大器的工作参数必须认真选择，根据放大器的噪声因子，在给定的工作频率下进行输入电阻匹配，以获得最佳噪声特性。,4.6.1 阻抗微小变化的测量,4.6.1 阻抗微小变化的测量,4.6.2 放大器噪声系数测量,4.6.3 半导体结电容测量电路,4.6.4 振动分析,4.6.5 光吸收的测量,
