微弱信号检测教学课件高晋占-

1、Chapter 4Lock-In Amplifier (LIA)第1页，共38页。41 Introduction一、问题的提出调制放大器：问题：第2页，共38页。二、LIA出发点1频谱迁移第3页，共38页。三、LIA性能四、锁定放大器工作原理第4页，共38页。42 相敏检测器（PSD）4. 2. 1 模拟乘法器型第5页，共38页。频谱迁移：差频分量和频分量第6页，共38页。（1）幅频特性（2）相敏特性（3）等效噪声带宽第7页，共38页。差频项和频项第8页，共38页。经低通，第二项、第三项被滤除信号项和频项信号与噪声的和频项信号与噪声的差频项第9页，共38页。第10页，共38页。功率信噪改善比第

2、11页，共38页。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的谐波响应第12页，共38页。讨论：第13页，共38页。若用积分器作低通LPF，则第14页，共38页。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。第15页，共38页。3. 相检特性与幅检特性相敏检测器的波形第16页，共38页。4. 开关式相敏检测器与全波整流的不同第17页，共38页。43 LIA的组成与

3、部件4.3.1 LIA基本组成（1）8阶SCFLP滤波器MAX 291第18页，共38页。（2）相敏检测器：AD630第19页，共38页。（3）带通滤波器BPF MAX7490双二阶SCF滤波器：第20页，共38页。4.3.2 正交矢量型LIA第21页，共38页。频率合成器结构框图4.3.3 外差式LIA第22页，共38页。4.3.4 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第23页，共38页。4.4 开关电容滤波LIA4.4.1 旋转电容滤波器1. 电路2传递函数(2) 有源(1) 无源第24页，共38页。3等效噪声带宽第25页，共38页。4基于旋转电容滤波器的同步外差锁定放

4、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？第26页，共38页。4.4.2 同步积分器1电路（1）无源（2）有源2传递函数:第27页，共38页。45 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。为允许信号峰值。4输入总动态范围= OVL / MDS (dB)5输出动态范围= FS /

5、MDS (dB)6动态储备= OVL / FS (dB)第28页，共38页。输入总动态范围（dB）=输出动态范围（dB）+动态储备（dB）第29页，共38页。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LPF第30页，共38页。4.5.3 动态协调考虑到PSD最易过载1. 两种工作状态: 高稳定态(适于低噪声情况)，高储备态(适于高噪声情况)2LIA增益分配第31页，共38页。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

6、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。第32页，共38页。4.6.1 阻抗微小变化的测量应用：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。第33页，共38页。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年代后用变压器桥第34页，共38页。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第35页，共38页。4.6.3 其它应用1. 半导体PN结电容测量2. 偏压光吸收测量偏压振荡时，样品的光吸收参数随之振荡。第36页，共38页。3. 斩波盘光调