微弱信号检测课件4(高晋占清华大学出版)

1、Chapter 4Lock-In Amplifier (LIA)41 Introduction一、问题的提出调制放大器：放大调制信号ACcos0tVVss ssAVtntAV，解调滤波 BPFcos0。不稳定和太高则稳定性差越高越好，改善主要由QQBQ00SNRBPF问题：二、LIA出发点1频谱迁移功能，实现原，用相敏检测器通过BPFLPEPSD. 2影响；很窄且稳定，不受带宽0fB同频又同相进行检测，噪声与信号和同时利用0. 3的概率很低。可实现正交的矢量测量鉴幅又鉴相噪声过载电压，等效噪声带宽值可达相对，增益. 5,cos. 4dB60. 30004. 010. 2V10nV1 . 0dB

2、2210. 10811ieVuHzBQG三、LIA性能四、锁定放大器工作原理 trtxtup tVtrtVtxrs00coscos tVVVVtVtVtrtxtursrsrsp0002cos5 . 0cos5 . 0coscos则： 均为正弦波与 trtx. 142 相敏检测器（PSD）4. 2. 1 模拟乘法器型 tVVVVtursrsp02cos5 . 0cos5 . 0 cos5 . 0LPF0rsVVtu，经频谱迁移：幅度迁移后保持原谱形状及处，及迁移至由0020差频分量和频分量低通，则若利用一阶RCHzRCBBLe212（1）幅频特性（2）相敏特性（3）等效噪声带宽 tnnVtrtV

3、txnnrs011012cos1214cos tnnVVtnnVVtunnrsnnrsp0110112cos121222cos1212的差频项被滤掉，和频项及经1LPFn cos20rsVVtu 类似与情况10tu 简单，普遍应用为方波为正弦波， trtx. 2差频项和频项 1coscosVcos0n0rnsVttrttVtx tVtVtVVtrtxtunnnnssp000cos5 . 0cos5 . 02cos5 . 0cos5 . 0 带宽的噪声加LPFcos5 . 000nsVtu经低通，第二项、第三项被滤除 为正弦波为正弦波含单频噪声， trtx. 3信号项和频项信号与噪声的和频项信号

4、与噪声的差频项 nttnttntntVtrtntVtxsncrssincoscoscos00 ttnVttnVttnVttnVtVVVVtVttnttntVtrtxtunsrnsrncrncrrsrsrnsncsp0000000sin5 . 0sin5 . 0cos5 . 0cos5 . 02cos5 . 0cos5 . 0cossincoscos 为正弦波为正弦波含窄带噪声， trtx. 4 与第四项、第六项。为：第一项的输出cos5 . 0LPF0iVtu ttnVttnVVVtunsrncrrs000sin5 . 0cos5 . 0cos5 . 0的带宽。后续为，可得：由LPFPSD2L

5、LipLeBBBSNIRBB的带宽。为的带宽，为信号通道LIABPFeiBBeipBBSNIR2 带宽的噪声。中的噪声为第四项中输出PSD00ntu功率信噪改善比 tnnVtrtntVtxnnrs011012cos1214cos tnnVVtnnVVtunnnnrnnnnran)12(cos121212cos1212011011为，它与方波相乘的结果的分量噪声中频率为tVnncosn 为方波为正弦波含带宽噪声， trtx. 5012n tu0经LPF，和频项被滤除；差频项中：凡是频率等于 的噪声与参考方波相应频率的谐波相乘都会产生一个相敏的直流输出，经LPF呈现在 中。称之为PSD的谐波响应

6、应避免使用哪些频率？则干扰，为方波，信号通道受若0Hz50tr讨论： 2320210，rsrsVVVVu dttrtxTtuT0001 为方波为方波， trtx. 6若用积分器作低通LPF，则4. 2. 2 电子开关型相敏检测器1. 变压器式电子开关PSD2. 运放式电子开关PSD使用注意：变压器特性影响，分布参数影响。使用注意：电子开关速度影响，电子开关注入电荷影响。 cos0sVtu3. 相检特性与幅检特性相敏检测器的波形4. 开关式相敏检测器与全波整流的不同43 LIA的组成与部件4.3.1 LIA基本组成（1）8阶SCFLP滤波器MAX 291100CLK0ff （2）相敏检测器：AD

7、630（3）带通滤波器BPF MAX7490双二阶SCF滤波器：23CLK0100RRQff，IQQIVVQVIsss122tansincos，4.3.2 正交矢量型LIA频率合成器结构框图4.3.3 外差式LIA。由晶振产生，高度稳定f4.3.4 微机化数字式相敏检测器系统组成多次采样数字式相敏检测波形4.4 开关电容滤波LIA 201112111214RCnnRRHn4.4.1 旋转电容滤波器1. 电路2传递函数(2) 有源(1) 无源211011121412RCnRRjHnn时， HzRCRCRCndHABne16218211211221220203等效噪声带宽4基于旋转电容滤波器的同步

8、外差锁定放大器讨论：LIA中使用旋转电容滤波器对进一步提高信噪比有什么作用？ 21211121RCnHn4.4.2 同步积分器1电路（1）无源（2）有源2传递函数: , 3 , 2 , 1n1-n20，时，的基波或奇次谐波关信号当输入信号频率偏离开tr45 锁定放大器性能指标与动态协调4.5.1 LIA的主要性能指标1过载电平OVL：使LIA任一级出现过载的输入信号电平，为允许噪声峰值2. 最小可测信号MDS(Minimum Discernible Signal)： 输出能辨别的最小输入信号，是测量下限。取决于系统漂移（温漂、时漂）。3满刻度输出时的输入电平FS：表征灵敏度,取决于增益。为允许

9、信号峰值。4输入总动态范围= OVL / MDS (dB)5输出动态范围= FS / MDS (dB)6动态储备= OVL / FS (dB)输入总动态范围（dB）=输出动态范围（dB）+动态储备（dB）4.5.2 动态范围与频率的关系1. 未加滤波器2. 加BPF3. 加BRF4. 加LPF4.5.3 动态协调 情况。高储备状态，适于高噪，若况；高稳定态，适于低噪情直流漂移；过载噪声易使若MDSOVL,2MDSOVLPSD,1DCACDCACGGGGMDSFS决定最小可测信号入电平决定满刻度输出时的输DCDCACGGG考虑到PSD最易过载1. 两种工作状态: 高稳定态(适于低噪声情况)，高储

10、备态(适于高噪声情况)2LIA增益分配46 应用LIA应用中的需要考虑的几个问题1输入是正弦波或方波交流信号，否则需用调制或斩 波的方式将其变换成交流信号。2实际应用中，LPF带宽要与信号的变化速度相适 应，尽量提高输出的信噪比。3适当地分配LIA的交流增益和直流增益，噪声不严重 应使LIA工作在高稳定态；如果噪声严重，必须使 LIA协调在高储备态。4良好的屏蔽与接地。5参考信号输入必须是与被测信号相干的同频信号。6前置级放大器必须进行低噪声设计。 EZZZZZZZZZZtxxxxx321321时，当被测阻抗变化为xxZZ321ZZZZx电桥的平衡条件为： EZZZZZZZZZZZZtxxxxxx3123211111 EZZtxZZZZxxx41321时、当4.6.1 阻抗微小变化的测量：去分母中的相对变化量较小时，略xZ应用：测量小电容、小电感、小电阻变化，及温度(热电阻)、位移、振动、微压等。注意：克服分布参数的影响。分析开关特性及注入电流的影响分析分布电容的影响或运放桥80年代后用变压器桥2noE输出噪声功率为1142202noessEEBkTREF2220sonoEEE信号功率为输出噪声4.6.2 放大器噪声系数测量1K打向A：2K打向B：3计算放大器的噪声系数4.6.3 其它应用1. 半导体PN结电容测量2. 偏压光吸收测量