（資料參考Stanford Research Systems, Inc. www.thinkSRS.com）
鎖相放大器( 以下簡(jiǎn)稱Lock-in) 是用來(lái)檢測(cè)極微弱的AC 信號(hào)( 可低至nV 級(jí)) 的高靈敏數(shù)據(jù)采集器，即使在噪聲高于信號(hào)數(shù)千倍的情況下，也可得到精確的測(cè)量。Lock-in 是使用PSD(Phase Sensitive Detector)-相位敏感檢測(cè)器的技術(shù)，只有存在于特定參考頻率的信號(hào)可被挑選出來(lái)；而其它頻率的噪聲則不會(huì)被檢出。
● Lock-in技術(shù)優(yōu)勢(shì)
舉一例說(shuō)明，假設(shè)有一10nV、10KHz 的正弦信號(hào)，顯然此信號(hào)需要一定程度的放大。
1. 使用一良好的低噪聲放大器，其輸入噪聲為5nV/ÃHz，若頻寬為100KHz ；增益(Gain)為1000，則放大后信號(hào)=10nV x 1000= 10uV，但此時(shí)的寬頻噪聲= 5nV/ÃHz x√100KHzx1000=1.6mV。因此，噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)大于信號(hào)，我們無(wú)法量測(cè)到該信號(hào)。
2. 在放大器之后，加一個(gè)理想品質(zhì)的帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q=100，中心頻率為10KHz，則只有在100Hz(10KHz/ Q) 頻寬內(nèi)的信號(hào)才會(huì)被檢測(cè)，此時(shí)信號(hào)仍為10uV，但噪聲=5nV/√Hzx√100Hzx 000=50uV，雖然噪聲已大幅降低， 但仍大于信號(hào)，而無(wú)法得到精確測(cè)量。
3. 現(xiàn)在若加一PSD 在放大器之后；PSD 的頻寬可窄至0.01Hz，則此時(shí)信號(hào)雖仍為10uV，但噪聲只有5nV/√Hzx√0.01Hzx1000=0.5uV，信噪比為= 10uV/0.5uV=20 ； 故已能作精確測(cè)量。
● 什么是PSD
Lock-in 測(cè)量需要有一參考頻率ωr用來(lái)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，Lock-in則檢測(cè)在此ωr的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)信號(hào)。假若使用一函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生器(Function Generator) 的方波輸出作為ωr，并以其正弦波輸出來(lái)激發(fā)一實(shí)驗(yàn)，其關(guān)系如圖所示。
信號(hào)波形為Vsig.Sin(ωrt+θsig) ， Vsig:信號(hào)振幅(Amplitude)；ωr: 參考頻率；θsig:信號(hào)的相位
Lock-in本身的相位鎖定回路(Phase locked loop - PLL)會(huì)產(chǎn)生自己的內(nèi)部參考，鎖定在外部的參考信號(hào)。此內(nèi)部參考信號(hào)波形為VL Sin(ωLt+θref)， VL :內(nèi)部 reference 振幅；ωL :內(nèi)部 reference 頻率(通常等于 ωr)；θref:內(nèi)部 reference 相位。
Lock-in 將信號(hào)放大后，便在PSD 乘上此內(nèi)部參考信號(hào)， PSD 的輸出即成為兩個(gè)正弦波的和。
Vpsd = Vsig VL Sin(ωr+θsig)Sin(ωrt+θref)
=1/2 Vsig VL Cos[(ωr-ωL)t+(θsig-θref)]--1/2 VsigVLCos[(ωr+ωL)t+(θsig+θref)]
Vpsd 為兩組 AC 信號(hào)，一為頻率差(ωr-ωL)，一為頻率和(ωr+ωL)。
PSD 輸出若經(jīng)過(guò)一低通濾波器(Low Pass Filter)，則此兩AC 信號(hào)即被去除，而不留下任何信號(hào)。但若 ωr=ωL，則頻率差的成份即成為 DC 信號(hào)，此時(shí) Vpsd= 1/2 Vsig VL Cos(θsig -θref)，這是很好的信號(hào)，因?yàn)?DC 信號(hào)直接與信號(hào)源的振幅成正比；傳統(tǒng)的Analog Lock-ins 使用Analog PSD 將analog 信號(hào)及analog reference 相乘，而低通濾波則使用1 或多級(jí)RC filter ；而在DSP Lock-in，這些功能都由一強(qiáng)大的數(shù)位信號(hào)處理器以數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)得到。
● Lock-in的參考信號(hào)從那里來(lái)？
由以上討論，我們得知Lock-in 參考頻率必須與信號(hào)頻率相等ωr=ωL ；而且相位差(θsig -θref) 也必須保持一定。Lock-in 使用PLL 來(lái)將其內(nèi)部參考震蕩器(Oscillator) 鎖定到外部參考信號(hào)，由于PLL 會(huì)主動(dòng)追隨外部參考信號(hào)，即使外部參考信號(hào)頻率改變也不會(huì)影響測(cè)量。
在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們通常需要用到光學(xué)斬波器來(lái)提供外部參考頻率供給Lock-in。
● 時(shí)間常數(shù)
Lock-in 借由設(shè)定時(shí)間常數(shù)來(lái)決定低通濾波器的頻寬。
時(shí)間常數(shù) τ = 1/2πf, f 為濾波器 -3dB 的頻率(-3dB 為衰減50% 功率)
增加時(shí)間常數(shù)，則輸出會(huì)變得更穩(wěn)定，測(cè)量更可靠( 即更平滑-smooth) ；但濾波器需要約 5 個(gè)時(shí)間常數(shù)的時(shí)間才能達(dá)到*終的值，故增加時(shí)間常數(shù)會(huì)減緩輸出的反應(yīng)速度。
● 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備 - Dynamic Reserve(以下簡(jiǎn)稱 DR)
DR 的傳統(tǒng)定義指*大" 可容忍" 的噪聲相對(duì)于滿刻度信號(hào)的比值( 以dB 表示)。例如，若滿刻度為1uV，則60dB DR 指可有高達(dá)1mV 的噪聲輸入而不會(huì)過(guò)載(Overload)。
● Lock-in的應(yīng)用
比例式光譜(Ratiometric Spectroscopy)測(cè)量
光電實(shí)驗(yàn)信號(hào)的測(cè)定
霍爾效應(yīng)(Hall Effect)的測(cè)量
半導(dǎo)體元件的電容值(Capacitance)測(cè)量
半導(dǎo)體材料的螢光(PL-Photolumincense)光譜測(cè)量
磁材料、超導(dǎo)體等的磁性測(cè)量
光纖衰減量，色差(chromatic dispersion)測(cè)量
生物檢測(cè)器（Biosensors）信號(hào)測(cè)定
超短時(shí)間（Femtosecond）信號(hào)測(cè)量
放大器增益（Gain）， 交叉干擾（Crosstalk）測(cè)量
電子元件，光感測(cè)器（detector）的Noise測(cè)量
機(jī)械振動(dòng)分析
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