RESOURCES
（資料參考Stanford Research Systems, Inc. www.thinkSRS.com）
鎖相放大器( 以下簡稱Lock-in) 是用來檢測極微弱的AC 信號( 可低至nV 級) 的高靈敏數(shù)據(jù)采集器，即使在噪聲高于信號數(shù)千倍的情況下，也可得到精確的測量。Lock-in 是使用PSD(Phase Sensitive Detector)-相位敏感檢測器的技術(shù)，只有存在于特定參考頻率的信號可被挑選出來；而其它頻率的噪聲則不會被檢出。
舉一例說明，假設(shè)有一10nV、10KHz 的正弦信號，顯然此信號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=10nV x 1000= 10uV，但此時的寬頻噪聲= 5nV/ÃHz x√100KHzx1000=1.6mV。因此，噪聲強度遠大于信號，我們無法量測到該信號。
2. 在放大器之后，加一個理想品質(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)的信號才會被檢測，此時信號仍為10uV，但噪聲=5nV/√Hzx√100Hzx 000=50uV，雖然噪聲已大幅降低， 但仍大于信號，而無法得到精確測量。
3. 現(xiàn)在若加一PSD 在放大器之后；PSD 的頻寬可窄至0.01Hz，則此時信號雖仍為10uV，但噪聲只有5nV/√Hzx√0.01Hzx1000=0.5uV，信噪比為= 10uV/0.5uV=20 ； 故已能作精確測量。
Lock-in 測量需要有一參考頻率ωr用來觸發(fā)實驗，Lock-in則檢測在此ωr的實驗反應信號。假若使用一函數(shù)信號產(chǎn)生器(Function Generator) 的方波輸出作為ωr，并以其正弦波輸出來激發(fā)一實驗，其關(guān)系如圖所示。
信號波形為Vsig.Sin(ωrt+θsig) ， Vsig:信號振幅(Amplitude)；ωr: 參考頻率；θsig:信號的相位
Lock-in本身的相位鎖定回路(Phase locked loop - PLL)會產(chǎn)生自己的內(nèi)部參考，鎖定在外部的參考信號。此內(nèi)部參考信號波形為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 將信號放大后，便在PSD 乘上此內(nèi)部參考信號， PSD 的輸出即成為兩個正弦波的和。
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，一為頻率差(ωr-ωL)，一為頻率和(ωr+ωL)。
PSD 輸出若經(jīng)過一低通濾波器(Low Pass Filter)，則此兩AC 信號即被去除，而不留下任何信號。但若 ωr=ωL，則頻率差的成份即成為 DC 信號，此時 Vpsd= 1/2 Vsig VL Cos(θsig -θref)，這是很好的信號，因為 DC 信號直接與信號源的振幅成正比；傳統(tǒng)的Analog Lock-ins 使用Analog PSD 將analog 信號及analog reference 相乘，而低通濾波則使用1 或多級RC filter ；而在DSP Lock-in，這些功能都由一強大的數(shù)位信號處理器以數(shù)學運算來得到。
由以上討論，我們得知Lock-in 參考頻率必須與信號頻率相等ωr=ωL ；而且相位差(θsig -θref) 也必須保持一定。Lock-in 使用PLL 來將其內(nèi)部參考震蕩器(Oscillator) 鎖定到外部參考信號，由于PLL 會主動追隨外部參考信號，即使外部參考信號頻率改變也不會影響測量。
在光學實驗中，我們通常需要用到光學斬波器來提供外部參考頻率供給Lock-in。
Lock-in 借由設(shè)定時間常數(shù)來決定低通濾波器的頻寬。
時間常數(shù) τ = 1/2πf, f 為濾波器 -3dB 的頻率(-3dB 為衰減50% 功率)
增加時間常數(shù)，則輸出會變得更穩(wěn)定，測量更可靠( 即更平滑-smooth) ；但濾波器需要約 5 個時間常數(shù)的時間才能達到*終的值，故增加時間常數(shù)會減緩輸出的反應速度。
DR 的傳統(tǒng)定義指*大" 可容忍" 的噪聲相對于滿刻度信號的比值( 以dB 表示)。例如，若滿刻度為1uV，則60dB DR 指可有高達1mV 的噪聲輸入而不會過載(Overload)。
● Lock-in的應用
比例式光譜(Ratiometric Spectroscopy)測量
光電實驗信號的測定
霍爾效應(Hall Effect)的測量
半導體元件的電容值(Capacitance)測量
半導體材料的螢光(PL-Photolumincense)光譜測量
磁材料、超導體等的磁性測量
光纖衰減量，色差(chromatic dispersion)測量
生物檢測器（Biosensors）信號測定
超短時間（Femtosecond）信號測量
放大器增益（Gain）， 交叉干擾（Crosstalk）測量
電子元件，光感測器（detector）的Noise測量
機械振動分析
13810146393
在線咨詢
