锁相放大器的基本作用

锁相放大器在当今的物理和工程实验室中被广泛采用，一般用来测量震荡的电信号的幅值和相位。典型的测量情况通常是，待测器件一个纯粹的周期信号，用锁相放大器来测量待测期间的输出的幅值和 (其相对于参考信号的) 相位。大的信号很容易测，用示波器就可以。但是，当信号变弱，变得困难，微弱的信号被噪声埋没。在这种情景下，锁相放大器有重要作用，因为它结合了时域和频域分析的技术，分离出想要的信号。

那锁相放大器是如何工作的呢？锁相放大器接收输入信号（带有噪声）和参考信号，将它们传给混频器，混频就是将两路信号作乘法。在频域更好理解，当信号和参考信号都是 sin波形时，频率为 fs 和 fr，混频的结果是简单的两个部分，频率之和频率之差。通常，锁相放大器的应用中，信号的频率与参考信号的频率是相同的，等于 f。这样, 信号变成一个是直流（0Hz），另一个是两倍频的信号（2f）。经过混频后，锁相放大器将直流分量与 2f 分量分离，通过可调的低通滤波器，低通滤波器的特征参数是带宽和级数，滤波带宽（-3dB 处频率）是截止频率，此处信号的功率减一半，带宽与时间常数成反比。滤波器带宽的设置总是一个权衡，带宽太宽会导致系统性测量误差，2f 部分可能泄露到输出信号。另外，更大的带宽意味着更多噪声，因此更低的信噪比。另一方面如果滤波带宽太窄，限制测量的时间分辨率，使测量变得缓慢。低通滤波器的形状可以通过选择滤波器阶数来确定，更高的阶数更逼近理想的矩形滤波传递函数，更高效地阻断滤波带宽外的频率。但是，高阶滤波器需要更多的时间达到稳定，造成相位延迟。更低阶的滤波器的好处是相位延时更低，时间延迟更短。在需要高速测量的情况下，这是有利的。混频加低通滤波的原理就是所谓的相敏检测或解调。为了帮助理解解调（混频和随后的滤波）非正弦信号的过程。我们应用傅里叶理论，每一个周期信号都可以展开为无穷多个 sin 和 cos 线性独立函数的和。对与这样的表达式，解调等价于选择一个参考信号附近的滤波带宽内的信号。通常这将无穷项的和简化为一个 sin和 cos 项，其他频率的成分被平均为 0。经过低通滤波器之后，信号被称为同相分量，标记为 X。与之对应的是，余弦波形解调给出两个傅里叶分量的一个。当我们用正弦信号进行解调时,即对参考信号相位进行延迟 90°，我们得到另一个线性独立的傅里叶分量，通常标记为 Y, 称为正交分量。当我们有了 X 和 Y，锁相放大器就可以计算幅值和相位。很简单，把笛卡尔坐标转为极坐标就可以了。当今的多数锁相放大器能够将 X，Y，R，theta 以模拟信号的形式输出进行缩放和偏置调整，或者以数字信号的形式存储 在电脑上分析。

什么样的锁相放大器才是优秀的锁相放大器？

首先，要确保信号频率范围和最大测量带宽匹配你的应用需求。另外，也要注意其他几个参数。多数使用锁相的情况下，最关注的问题是获得高的信噪比。因此，在覆盖整个输入带宽和所有输入量程的条件下，锁相放大器自身的噪声通常指的是输入噪声要尽可能的小，。举个例子，苏黎世仪器MFLI 500kHz/5MHz锁相放大器输入噪声仅有 2.5nV 每赫兹平方根，在 100Hz 频率范围以内，1/f 噪声开始变得显著。另一个重要的指标是动态储备,用来量化仪器抑制不感兴趣的信号的能力，同时确保准确的测量。比如，动态储备 120dB 时，即便附近有一个干扰信号，幅值高达 1V，你仍然可以测量一个 1V 的信号，精度达 1%。最后，现代的数字仪器和最先进的软件能够在时域和频域分析输入和输出信号，这对改进测量质量有着重要作用。其他功能可以通过编程语言实现，比如，LabView, Matlab, Python 和 C。

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集成运算放大器有以下一些类别。

1.通用型集成运算放大器

通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。

2.高精度集成运算放大器

高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。这类运算放大器的噪声也比较小。其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。

3.高速型集成运算放大器

高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。

4.高输入阻抗集成运算放大器

高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。

5.低功耗集成运算放大器

低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。

6.宽频带集成运算放大器

宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。

7.高压型集成运算放大器

一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。

8.功率型集成运算放大器

功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。

9.光纤放大器

光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。

光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。

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