鎖相放大器（Lock-in Amplifier），又稱(chēng)鎖定放大器，是一種基于互相關(guān)檢測(cè)理論的高靈敏度測(cè)量?jī)x器，專(zhuān)為從強(qiáng)噪聲背景中提取微弱信號(hào)而設(shè)計(jì)。其核心工作原理在于利用待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)之間的相關(guān)性，通過(guò)相敏檢波（PSD）和低通濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率信號(hào)的精確提取，同時(shí)極大抑制無(wú)關(guān)噪聲，顯著提升信噪比（SNR），甚至可在信噪比低至-60dB的極端環(huán)境下有效工作。

鎖相放大器的工作流程主要分為三個(gè)步驟：信號(hào)調(diào)制與混頻、噪聲抑制、參數(shù)提取。首先，輸入信號(hào)（通常為被噪聲嚴(yán)重污染的微弱信號(hào)）進(jìn)入放大器后，與一個(gè)頻率相同、相位可控的參考信號(hào)在相敏檢波器中進(jìn)行乘法運(yùn)算。由于正弦函數(shù)的正交性原理，兩個(gè)同頻信號(hào)相乘會(huì)產(chǎn)生直流分量和二倍頻分量，而噪聲作為隨機(jī)信號(hào)，與周期性參考信號(hào)不具相關(guān)性，其乘積經(jīng)積分后趨于零。隨后，通過(guò)低通濾波器（LPF）濾除二倍頻及高頻噪聲成分，僅保留與信號(hào)幅值相關(guān)的直流輸出，從而實(shí)現(xiàn)“窄帶化”檢測(cè)，等效帶寬可窄至毫赫茲級(jí)，極大削弱了寬帶噪聲的干擾。
在單相鎖相放大器中，輸出僅反映信號(hào)在參考信號(hào)相位方向上的投影（即同相分量X），若待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)存在相位差，需手動(dòng)調(diào)節(jié)相位以獲得最大響應(yīng)，但此方法易受相位漂移影響，導(dǎo)致測(cè)量不穩(wěn)定。為此，雙相鎖相放大器（又稱(chēng)正交鎖相放大器）被廣泛采用。它使用兩個(gè)相位相差90°的參考信號(hào)（sin和cos）分別進(jìn)行檢波，得到X（實(shí)部）和Y（虛部）兩個(gè)正交分量，再通過(guò)矢量運(yùn)算直接計(jì)算出信號(hào)的幅值 R=X2+Y2R = sqrt{X^2 + Y^2}R=X2+Y2? 和相位 θ=arctan?(Y/X)theta = arctan(Y/X)θ=arctan(Y/X)，無(wú)需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)相位，顯著提高了測(cè)量的精度與穩(wěn)定性。
鎖相放大器的性能優(yōu)勢(shì)突出：具備高達(dá)100dB以上的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備，頻率響應(yīng)范圍可從毫赫茲至數(shù)百兆赫茲，相位分辨率可達(dá)0.01度，電壓分辨率可達(dá)納伏（nV）級(jí)，適用于光學(xué)測(cè)量、量子物理、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和工業(yè)無(wú)損探傷等多個(gè)領(lǐng)域。然而，其工作依賴(lài)于穩(wěn)定且頻率匹配的參考信號(hào)，對(duì)信號(hào)頻率漂移敏感，且不適用于非周期或?qū)拵盘?hào)的直接處理。
值得注意的是，根據(jù)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)的規(guī)范，“鎖定放大器”為“Lock-in Amplifier”的正式中文譯名，“鎖相放大器”為常見(jiàn)意譯，在正式學(xué)術(shù)場(chǎng)合應(yīng)優(yōu)先使用規(guī)范名稱(chēng)。
綜上所述，鎖相放大器通過(guò)相關(guān)檢測(cè)與正交解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱信號(hào)的“精準(zhǔn)鎖定”，是現(xiàn)代精密測(cè)量科學(xué)中不可或缺的關(guān)鍵工具。

審核編輯 黃宇