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了解锁相放大器的类型和相关的噪声源

2020-9-18 09:46:37  357 锁相放大器 噪声 DSP 滤波器
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在本文中,我们将讨论商用锁相放大器的实用方面,包括不同类型的锁相放大器及其主要特性。
由于锁相放大器的目的是从高噪声环境中恢复信号,因此在设计实验时最重要的一点就是测试装置中的噪声。因此,我们还将在本文中回顾可能的噪声源。最后,我们将介绍市场上一些锁相放大器。

锁相放大器的类型模拟或数字
当第一个锁相放大器出现时,其所有组件(滤波器,乘法器,移相器等)都是纯模拟的。由于技术的发展以及数字信号处理器(DSP)价格的下降,一些零件(例如滤波器或放大器)已成为数字产品。
然而,在非常特殊的情况下,具有模拟部件非常有用。这就是为什么某些放大器仍将其某些组件保持模拟的原因。实际上,由于诸如输入滤波器或放大器之类的级仍然是模拟的,因此不存在纯数字锁定放大器。

单相或双相检测器
正如我们在回顾前一篇文章中的零差收发器时所看到的,锁相放大器的支柱使用参考信号来恢复同相(I)分量。他们还使用偏移90°的相同信号来恢复正交(Q)分量。因此,双相锁相放大器是检测两个分量的放大器,而单相锁相放大器仅检测同相分量的放大器。
双相和双通道锁定放大器之间的差异有时会令人困惑。双相锁定放大器可以检测相位和正交分量,而双通道锁定放大器可以测量两个不同的信号。因此,可以具有双相单通道锁定放大器和单通道双相锁定放大器。

锁相放大器噪声源
我们已经看到,当目标是从非常嘈杂的环境中恢复信号时,锁定放大器是一个很好的工具。在针对噪声的实验中使用锁定放大器时,必须首先了解噪声的来源。

热噪声
热噪声,也称为约翰逊-奈奎斯特噪声,是由固定电荷载流子(即电子)的热波动引起的。这些波动是由温度变化引起的,并且与施加的电压无关。每个电阻都会产生热噪声,根据Nyquist [1]最初进行的实验,可以用以下公式表示:

Vthermal(rms)=√4kTRΔf

在这个公式中,k是玻尔兹曼常数,T是开氏温度,ΔFΔf是带宽,R是电阻值。该公式说明了在减少尽可能多的不必要带宽的同时,仔细选择所有模拟级电阻值的重要性。

散粒噪声
电流由离散电荷(电子或空穴)的流动引起,具体取决于结的类型。由于这些电荷不是连续的而是离散的,因此电荷的流动不均匀,从而导致统计噪声。可以用以下表达式来总结该原理:

Ishot(rms)=√2qIΔf

此处,q电子电荷I是施加在电路中的RMS电流,并且 ΔFΔf是带宽。当使用锁相放大器时,输入带宽通常很小,因此散粒噪声对测量的影响不会太大。

1 / f噪音也被称为粉红色或闪烁噪声,尚未找到1 / f噪声的确切来源,但在不同组件中都有很好的特征。
噪声量与频率成反比。这就是为什么很难在低频实验中执行准确的测量。


闪烁噪声的功率谱密度(PSD)。图片由Behraad Bahreyni提供[2]
粉红噪声表示拐角频率f c,从该频率处噪声是均匀的。该频率取决于每个组件(电阻器二极管晶体管等)的性质。
有关电噪声及其来源的更全面讨论,您可以查看Robert Keim关于该主题的技术文章。

选择合适的锁相放大器
在选择或构建用于实验的锁定放大器之前,您应该了解一些可能指导您做出决定的关键特性。

输入噪声
放大器的内部组件会引起不同类型的噪声,这些噪声将决定测量时出现的输入噪声。由于所有噪声类型都不相干,因此所有噪声分量的正交和会导致输入端的噪声量。
该数字始终相对于频率的平方根,其值通常为 ñV/√HžnV/Hz

最低动态储备
正如我们在上一篇关于锁相放大器的原理的文章中所看到的那样,动态储备是从确定的噪声水平恢复信号的能力。
由于该值取决于所选的比例,因此制造商提供对数单位的最小动态储备。


锁相放大器SR-844的规格,指示最小动态储备。图片由  Standford Research Systems提供
带宽锁相放大器最相关的方面之一是带宽,它指定最大频率和最小频率。
由于内部组件固有的噪声水平,限制了该最小值。闪烁噪声与频率成反比。然后,为了确保在所有频率范围内达到规定的噪声水平,必须在某些锁定放大器中设置一个最低频率。
旧型号的带宽为25 kHz至200 MHz,而大多数现代化型号可以接受DC至600 MHz的频率。

筛选器
解调阶段的滤波器将确定完成实验所需的时间以及输出信号的质量。
制造商提供三个参数:时间常数,滤波器带宽和滤波器滚降。所有这三个因素都是相互关联的,它们提供了实验的持续时间限制以及可以在实验期间正确检测到的信号类型。

参考信号
参考信号的准确性对于实验的成功至关重要。参考信号可以由本地振荡器在内部生成,也可以在外部连接至锁定放大器的端口之一。在这两种情况下,此信号都有一个最高频率,有时有一个最低频率。
相位规格与频率规格同样重要。相位分辨率和相位误差必须足够低才能进行准确的测量。以dBc / Hz表示的相位噪声也是一个关键参数。

商业模式
如今,有不同的制造商提供锁定放大器。由于锁相放大器就是这样一种特定的仪器,因此制造商的名单并不多。关于谁发明了它的讨论,但是第一篇论文出现在1941年[3]。
在下表中,我们比较了市场上的某些型号:

制造商模型频率范围最小 动态储备频道号码相位分辨率过滤滚降
斯坦福研究仪器SR8501 mHz至102.4 kHz100分贝21 mº6、12、18、24 dB / oct
苏黎世仪器UHFLI 600兆赫直流至600 MHz100分贝21 µº6,12,18,24,30,36,42,48 dB / oct
阿美特克7280500 mHz至2 MHz100分贝21 mº6、12 dB /八度


结论
锁相放大器是非常精密的仪器,在从高噪声环境中恢复微弱信号时可以非常有效。选择商用模型时,检查噪声水平及其带宽和滤波功能至关重要。


李红涛 2020-9-18 09:55:40
感谢楼主分享。
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