锁相放大器允许不可避免地受到噪声限制以及其他信号链测试和测量挑战，精确地捕获来自传感器的微小信号。
有一些基本的测试和测量仪器，适用于所有类型的科学实验室和工程台，无论是电子的，生物医学的，化学的，光学的还是机械的。仅举几个例子，其中包括数字电压表，示波器，频率计数器和信号发生器中国机械网okmao.com。仪器范围的另一端是高度专业化的仪器，它们仅对各自的专业领域有用，例如用于生物医学研究的DNA测序仪或用于高级无线链路（例如5G）的多千兆赫兹频谱分析仪。
但是，也有一些跨多个学科的高级工具。尽管在基本实验室中找不到它们，但在许多高端安装中它们将相当普遍。一个例子是锁定放大器或LIA。
什么是锁相放大器，其作用是什么，为什么需要它？本文将探讨这些问题和相关主题。它将侧重于基本的LIA，而不是深入研究具有更多可用功能的更高级的模型。最后的参考资料将提供这些资源的链接。
自1930年代以来，锁相放大器已用于基于真空管的设计。当然，晶体管，高性能低噪声运算放大器和数字技术在提高性能的同时增加了有用的功能，当然也使其不那么“棘手”。
问：简而言之，LIA的用途是什么？
答：LIAs有两个作用：
尽管存在远远超过所需信号的压倒性噪声背景，它仍可以恢复低电平信号。
或者，它可以为几个数量级和频率上的相对干净的信号提供高分辨率测量。
问：不能使用高增益放大器恢复弱信号吗？
答：不，不是那么简单。像往常一样，噪音会使情况变得复杂，并限制了性能。即使感兴趣的信号本身没有噪声（从理论上讲，只有一种可能性，因为所有信号都有一定的噪声），但用于“增益”的前端放大器也有其自身的内部噪声，这会使信号本身不堪重负。
问：您不能只使用低噪声放大器吗？
答：这是迈向解决方案的第一步，有些放大器（这里是运算放大器）的噪声极低。但这不只是放大器具有内部噪声：电阻等所有组件都有自己的热噪声，该噪声通常与温度成正比。为了衰减该噪声，需要冷却该放大器电路。尽管在特殊情况下（例如来自深空探测器的信号的接收器）可以做到，但这在大多数情况下都是不切实际的。
问：噪音是唯一的问题吗？
答：不，捕获和放大低频信号（即使不是严格的直流电，通常也称为“ DC”）存在问题。信号链组件将具有热漂移，偏移电压，泄漏电流，偏置电流和其他缓慢变化的变化，就像感兴趣的信号一样。如果这些变化是静态且不变的，则可以通过一些努力预先对其进行校准。取而代之的是，它们变化缓慢且有些随机，因此与关注信号无法区分且不可分离。
问：基本的非LIA捕获低电平信号的方法是什么？
答：以光学物理实验中的一个光电探测器（光电晶体管）的典型电流信号设置为例（图1）。尽管我们通常认为光电流约为10毫安（mA）或更高，但在许多实验情况下，该电流可能要低几个数量级，在纳安（1 nA = 10 -9 A），皮安（1 pA = 10 -12 A），甚至飞安（1 fA = 10 -15 A）范围。在这些情况下，内部噪声将淹没电流。
图1：获取低电平信号的明显方法是使用直接路径信号链进行滤波和放大，但这有很多性能限制。图片：Ametek /珀金·埃尔默（Perkin Elmer）
单色仪是一种专用的非电子式光学带通滤光片，可在很大程度上消除所需波长带之外的光，以防止该光添加到光电探测器（传感器）的刺激中。光电探测器将其输出馈送到基本的低漂移放大器。然后，使用常规电压表（未显示）测量从放大器输出的电压。
问：这是什么问题？
答：存在两个问题：首先，来自检测器的DC信号即使由于漏电流而没有光输入也将呈现非零电流输出。其次，由于杂散光进入检测器（单色仪滤光片和整体设置并不理想），导致无法将任何所需输出的期望信号与任何输出分开，这是没有办法的。
问：解决这一难题的方法是什么？
答：广泛使用的解决方案是使用周期信号（通常是正弦波或方波）来调制光源。在光学领域，这通常是通过使用机械光“斩波器”（带有狭缝的旋转圆盘）来完成的，虽然听起来很粗糙，但历史悠久，直到今天仍被广泛使用。另一种方法是调制光源本身，这似乎更好。但是，由于许多光源需要不断地“打开”以获得最佳性能，因此实际实现起来通常仍然很困难，而以高速率打开/关闭它们会影响它们的性能。斩波器完全不依赖于光源或控制它来进行这种调制。
问：调制信号源有什么帮助？
答：一旦将所需的光源作为信号进行调制，就可以使用几种将信号从其调制载波中分离出来的可用技术之一对其进行解调（图2）。调制后的信号通过高度选择性的滤波器（调谐放大器），仅留下所需的信号。因此，至少在原理上，很大程度上消除了输入信号的性能漂移和其他问题。
图2：添加调谐放大器作为滤波器可以改善性能，但会带来漂移问题，这会损害信号链性能。图片：Ametek /珀金·埃尔默（Perkin Elmer）
问：似乎问题已解决。有什么问题
答：有几种：
首先，调谐放大器必须具有一个以调制频率为中心的高Q，高选择性滤波器，以使其有效。但是，这些高Q滤波器在温度变化，元件老化和其他因素的影响下不够完善或不够稳定。因此，滤波器通带漂移，从而相对于感兴趣的信号降低了其性能。
其次，滤波器将噪声添加到信号路径中，并且该噪声还会破坏所需信号的恢复。
第三，如果驱动激光器或其他光源的机械斩波频率或电子信号发生器具有长期漂移或短期抖动（在某种程度上不可避免地会产生漂移），则滤波器的通带将位于错误的位置。频谱，信号路径和滤波将受到损害。尽管可以构建跟踪滤波器，但增加了复杂性会带来新的误差和噪声源，并且仅对长期漂移有效，而对抖动却无效。
对于那些想要探究信号与噪声以及信号链和捕获问题的人，最后一些参考书详细地介绍了数学公式和数字，这些方程式和数字显示了前端信道噪声，漂移，抖动，偏移和其他缺陷。