鎖相放大器( 以下簡(jiǎn)稱Lock-in) 是用來(lái)檢測(cè)極微弱的AC 信號(hào)( 可低至nV 級(jí)) 的高靈敏數(shù)據(jù)采集器，即使在噪聲高于信號(hào)數(shù)千倍的情況下，也可得到精確的測(cè)量。Lock-in 是使用PSD(PhaseSensitive Detector)- 相位敏感檢測(cè)器的技術(shù)，只有存在于特定參考頻率的信號(hào)可被挑選出來(lái);而其它頻率的噪聲則不會(huì)被檢出。

　　為何要使用Lock-in?

　　舉一例說(shuō)明，假設(shè)有一10nV、10KHz 的正弦信號(hào)，顯然此信號(hào)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/?Hz，若頻寬為100KHz ;增益(Gain) 為 1000，則放大后信號(hào) = 10nV x1000= 10uV，但此時(shí)的寬頻噪聲= 5nV/?Hz x √ 100KHz x 1000= 1.6mV。因此，噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)大于信號(hào)，我們無(wú)法量測(cè)到該信號(hào)。

　　2. 在放大器之后，加一個(gè)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(hào)才會(huì)被檢測(cè)，此時(shí)信號(hào)仍為10uV，但噪聲=5nV/ √ Hzx √ 100Hz x 1000=50uV，雖然噪聲已大幅降低，但仍大于信號(hào)，而無(wú)法得到精確測(cè)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(shí)信號(hào)雖仍為10uV，但噪聲只有5nV/ √ Hz x √ 0.01Hz x1000 = 0.5uV，信噪比為 = 10uV/0.5uV = 20;故已能作精確測(cè)量。什么是 PSD?Lock-in 測(cè)量需要有一參考頻率ωr 用來(lái)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)，Lock-in則檢測(cè)在此ωr 的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)信號(hào)。假若使用一函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生器(Function Generator) 的方波輸出作為ωr，并以其正弦波輸出來(lái)激發(fā)一實(shí)驗(yàn)，其關(guān)系如圖所示。

　　信號(hào)波形為Vsig.Sin(ωrt+θsig) ，Vsig: 信號(hào)振幅(Amplitude)ωr : 參考頻率θsig : 信號(hào)的相位Lock-in本身的相位鎖定回路(Phase locked loop - PLL)會(huì)產(chǎn)生自己的內(nèi)

　　部參考，鎖定在外部的參考信號(hào)。此內(nèi)部參考信號(hào)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(hào)放大后，便在PSD 乘上此內(nèi)部參考信號(hào)，PSD 的輸出即成為兩個(gè)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(hào)，一為頻率差(ωr-ωL)，一為頻率和(ωr+ωL)。

　　PSD 輸出若經(jīng)過(guò)一低通濾波器(Low Pass Filter)， 則此兩AC 信號(hào)即被去除，而不留下任何信號(hào)。但若 ωr=ωL，則頻率差的成份即成為 DC 信號(hào)，此時(shí) Vpsd= 1/2 Vsig VLCos(θsig -θref)，這是很好的信號(hào)，因?yàn)?DC 信號(hào)直接與信號(hào)源的振幅成正比;傳統(tǒng)的Analog Lock-ins 使用Analog PSD 將analog 信號(hào)及analog reference 相乘，而低通濾波則使用1或多級(jí)RC filter ;而在DSP Lock-in，這些功能都由一強(qiáng)大的數(shù)位信號(hào)處理器以數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)得到。

　　Lock-in的參考信號(hào)從那里來(lái)?

　　由以上討論，我們得知Lock-in 參考頻率必須與信號(hào)頻率相等ωr=ωL ;而且相位差(θsig -θref) 也必須保持一定。Lockin使用PLL 來(lái)將其內(nèi)部參考震蕩器(Oscillator) 鎖定到外部參考信號(hào)，由于PLL 會(huì)主動(dòng)追隨外部參考信號(hào)，即使外部參考信號(hào)頻率改變也不會(huì)影響測(cè)量。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們通常需要用到光學(xué)斬波器來(lái)提供外部參考頻率供給Lock-in。

　　時(shí)間常數(shù)

　　Lock-in 借由設(shè)定時(shí)間常數(shù)來(lái)決定低通濾波器的頻寬。時(shí)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(shí)間常數(shù)，則輸出會(huì)變得更穩(wěn)定，測(cè)量更可靠( 即更平滑-smooth) ;但濾波器需要約 5 個(gè)時(shí)間常數(shù)的時(shí)間才能達(dá)到最終的值，故增加時(shí)間常數(shù)會(huì)減緩輸出的反應(yīng)速度。

　　動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備 - Dynamic Reserve(以下簡(jiǎn)稱 DR)

　　DR 的傳統(tǒng)定義指最大" 可容忍" 的噪聲相對(duì)于滿刻度信號(hào)的比值( 以dB 表示)。例如，若滿刻度為1uV，則60dB DR指可有高達(dá)1mV 的噪聲輸入而不會(huì)過(guò)載(Overload)。

　　Lock-in的應(yīng)用

　　● 比例式光譜(Ratiometric Spectroscopy)測(cè)量

　　● 光電實(shí)驗(yàn)信號(hào)的測(cè)定

　　● 霍爾效應(yīng)(Hall Effect)的測(cè)量

　　● 半導(dǎo)體元件的電容值(Capacitance)測(cè)量

　　● 半導(dǎo)體材料的螢光(PL-Photolumincense)光譜測(cè)量

　　● 磁材料、超導(dǎo)體等的磁性測(cè)量

　　● 光纖衰減量，色差(chromatic dispersion)測(cè)量

　　● 生物檢測(cè)器(Biosensors)信號(hào)測(cè)定

　　● 超短時(shí)間(Femtosecond)信號(hào)測(cè)量

　　● 放大器增益(Gain)， 交叉干擾(Crosstalk)測(cè)量

　　● 電子元件，光感測(cè)器(detector)的Noise測(cè)量

　　● 機(jī)械振動(dòng)分析