微弱信號(hào)檢測(cè)課件4(高晉占_--清華大學(xué)出版)

1、Chapter 4Lock-In Amplifier (LIA)41 Introduction一、問(wèn)題的提出調(diào)制放大器：放大調(diào)制信號(hào)ACcos0tVVss ssAVtntAV，解調(diào)濾波 BPFcos0。不穩(wěn)定和太高則穩(wěn)定性差越高越好，改善主要由QQBQ00SNRBPF問(wèn)題：二、LIA出發(fā)點(diǎn)1頻譜遷移功能，實(shí)現(xiàn)原，用相敏檢測(cè)器通過(guò)BPFLPEPSD. 2影響；很窄且穩(wěn)定，不受帶寬0fB同頻又同相進(jìn)行檢測(cè)，噪聲與信號(hào)和同時(shí)利用0. 3的概率很低?？蓪?shí)現(xiàn)正交的矢量測(cè)量鑒幅又鑒相噪聲過(guò)載電壓，等效噪聲帶寬值可達(dá)相對(duì)，增益. 5,cos. 4dB60. 30004. 010. 2V10nV1 . 0dB

2、2210. 10811ieVuHzBQG三、LIA性能四、鎖定放大器工作原理 trtxtup tVtrtVtxrs00coscos tVVVVtVtVtrtxtursrsrsp0002cos5 . 0cos5 . 0coscos則： 均為正弦波與 trtx. 142 相敏檢測(cè)器（PSD）4. 2. 1 模擬乘法器型 tVVVVtursrsp02cos5 . 0cos5 . 0 cos5 . 0LPF0rsVVtu，經(jīng)頻譜遷移：幅度遷移后保持原譜形狀及處，及遷移至由0020差頻分量和頻分量低通，則若利用一階RCHzRCBBLe212（1）幅頻特性（2）相敏特性（3）等效噪聲帶寬 tnnVtrtV

3、txnnrs011012cos1214cos tnnVVtnnVVtunnrsnnrsp0110112cos121222cos1212的差頻項(xiàng)被濾掉，和頻項(xiàng)及經(jīng)1LPFn cos20rsVVtu 類(lèi)似與情況10tu 簡(jiǎn)單，普遍應(yīng)用為方波為正弦波， trtx. 2差頻項(xiàng)和頻項(xiàng) 1coscosVcos0n0rnsVttrttVtx tVtVtVVtrtxtunnnnssp000cos5 . 0cos5 . 02cos5 . 0cos5 . 0 帶寬的噪聲加LPFcos5 . 000nsVtu經(jīng)低通，第二項(xiàng)、第三項(xiàng)被濾除 為正弦波為正弦波含單頻噪聲， trtx. 3信號(hào)項(xiàng)和頻項(xiàng)信號(hào)與噪聲的和頻項(xiàng)信號(hào)

4、與噪聲的差頻項(xiàng) nttnttntntVtrtntVtxsncrssincoscoscos00 ttnVttnVttnVttnVtVVVVtVttnttntVtrtxtunsrnsrncrncrrsrsrnsncsp0000000sin5 . 0sin5 . 0cos5 . 0cos5 . 02cos5 . 0cos5 . 0cossincoscos 為正弦波為正弦波含窄帶噪聲， trtx. 4 與第四項(xiàng)、第六項(xiàng)。為：第一項(xiàng)的輸出cos5 . 0LPF0iVtu ttnVttnVVVtunsrncrrs000sin5 . 0cos5 . 0cos5 . 0的帶寬。后續(xù)為，可得：由LPFPSD2L

5、LipLeBBBSNIRBB的帶寬。為的帶寬，為信號(hào)通道LIABPFeiBBeipBBSNIR2 帶寬的噪聲。中的噪聲為第四項(xiàng)中輸出PSD00ntu功率信噪改善比 tnnVtrtntVtxnnrs011012cos1214cos tnnVVtnnVVtunnnnrnnnnran)12(cos121212cos1212011011為，它與方波相乘的結(jié)果的分量噪聲中頻率為tVnncosn 為方波為正弦波含帶寬噪聲， trtx. 5012n tu0經(jīng)LPF，和頻項(xiàng)被濾除；差頻項(xiàng)中：凡是頻率等于 的噪聲與參考方波相應(yīng)頻率的諧波相乘都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相敏的直流輸出，經(jīng)LPF呈現(xiàn)在 中。稱之為PSD的諧波響應(yīng)

6、應(yīng)避免使用哪些頻率？則干擾，為方波，信號(hào)通道受若0Hz50tr討論： 2320210，rsrsVVVVu dttrtxTtuT0001 為方波為方波， trtx. 6若用積分器作低通LPF，則4. 2. 2 電子開(kāi)關(guān)型相敏檢測(cè)器1. 變壓器式電子開(kāi)關(guān)PSD2. 運(yùn)放式電子開(kāi)關(guān)PSD使用注意：變壓器特性影響，分布參數(shù)影響。使用注意：電子開(kāi)關(guān)速度影響，電子開(kāi)關(guān)注入電荷影響。 cos0sVtu3. 相檢特性與幅檢特性相敏檢測(cè)器的波形4. 開(kāi)關(guān)式相敏檢測(cè)器與全波整流的不同43 LIA的組成與部件4.3.1 LIA基本組成（1）8階SCFLP濾波器MAX 291100CLK0ff （2）相敏檢測(cè)器：AD

7、630（3）帶通濾波器BPF MAX7490雙二階SCF濾波器：23CLK0100RRQff，IQQIVVQVIsss122tansincos，4.3.2 正交矢量型LIA頻率合成器結(jié)構(gòu)框圖4.3.3 外差式LIA。由晶振產(chǎn)生，高度穩(wěn)定f4.3.4 微機(jī)化數(shù)字式相敏檢測(cè)器系統(tǒng)組成多次采樣數(shù)字式相敏檢測(cè)波形4.4 開(kāi)關(guān)電容濾波LIA 201112111214RCnnRRHn4.4.1 旋轉(zhuǎn)電容濾波器1. 電路2傳遞函數(shù)(2) 有源(1) 無(wú)源211011121412RCnRRjHnn時(shí)， HzRCRCRCndHABne16218211211221220203等效噪聲帶寬4基于旋轉(zhuǎn)電容濾波器的同步

8、外差鎖定放大器討論：LIA中使用旋轉(zhuǎn)電容濾波器對(duì)進(jìn)一步提高信噪比有什么作用？ 21211121RCnHn4.4.2 同步積分器1電路（1）無(wú)源（2）有源2傳遞函數(shù): , 3 , 2 , 1n1-n20，時(shí)，的基波或奇次諧波關(guān)信號(hào)當(dāng)輸入信號(hào)頻率偏離開(kāi)tr45 鎖定放大器性能指標(biāo)與動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)4.5.1 LIA的主要性能指標(biāo)1過(guò)載電平OVL：使LIA任一級(jí)出現(xiàn)過(guò)載的輸入信號(hào)電平，為允許噪聲峰值2. 最小可測(cè)信號(hào)MDS(Minimum Discernible Signal)： 輸出能辨別的最小輸入信號(hào)，是測(cè)量下限。取決于系統(tǒng)漂移（溫漂、時(shí)漂）。3滿刻度輸出時(shí)的輸入電平FS：表征靈敏度,取決于增益。為允許

9、信號(hào)峰值。4輸入總動(dòng)態(tài)范圍= OVL / MDS (dB)5輸出動(dòng)態(tài)范圍= FS / MDS (dB)6動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備= OVL / FS (dB)輸入總動(dòng)態(tài)范圍（dB）=輸出動(dòng)態(tài)范圍（dB）+動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備（dB）4.5.2 動(dòng)態(tài)范圍與頻率的關(guān)系1. 未加濾波器2. 加BPF3. 加BRF4. 加LPF4.5.3 動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào) 情況。高儲(chǔ)備狀態(tài)，適于高噪，若況；高穩(wěn)定態(tài)，適于低噪情直流漂移；過(guò)載噪聲易使若MDSOVL,2MDSOVLPSD,1DCACDCACGGGGMDSFS決定最小可測(cè)信號(hào)入電平?jīng)Q定滿刻度輸出時(shí)的輸DCDCACGGG考慮到PSD最易過(guò)載1. 兩種工作狀態(tài): 高穩(wěn)定態(tài)(適于低噪聲情況)，高儲(chǔ)

10、備態(tài)(適于高噪聲情況)2LIA增益分配46 應(yīng)用LIA應(yīng)用中的需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題1輸入是正弦波或方波交流信號(hào)，否則需用調(diào)制或斬 波的方式將其變換成交流信號(hào)。2實(shí)際應(yīng)用中，LPF帶寬要與信號(hào)的變化速度相適 應(yīng)，盡量提高輸出的信噪比。3適當(dāng)?shù)胤峙銵IA的交流增益和直流增益，噪聲不嚴(yán)重 應(yīng)使LIA工作在高穩(wěn)定態(tài)；如果噪聲嚴(yán)重，必須使 LIA協(xié)調(diào)在高儲(chǔ)備態(tài)。4良好的屏蔽與接地。5參考信號(hào)輸入必須是與被測(cè)信號(hào)相干的同頻信號(hào)。6前置級(jí)放大器必須進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。 EZZZZZZZZZZtxxxxx321321時(shí)，當(dāng)被測(cè)阻抗變化為xxZZ321ZZZZx電橋的平衡條件為： EZZZZZZZZZZZZtxxxxxx3123211111 EZZtxZZZZxxx41321時(shí)、當(dāng)4.6.1 阻抗微小變化的測(cè)量：去分母中的相對(duì)變化量較小時(shí)，略xZ應(yīng)用：測(cè)量小電容、小電感、小電阻變化，及溫度(熱電阻)、位移、振動(dòng)、微壓等。注意：克服分布參數(shù)的影響。分析開(kāi)關(guān)特性及注入電流的影響分析分布電容的影響或運(yùn)放橋80年代后用變壓器橋2noE輸出噪聲功率為1142202noessEEBkTREF2220sonoEEE信號(hào)功率為輸出噪聲4.6.2 放大器噪聲系數(shù)測(cè)量1K打向A：2K打向B：3計(jì)算放大器的噪聲系數(shù)4.6.3 其它應(yīng)用1. 半導(dǎo)體PN結(jié)電容測(cè)量2. 偏壓光吸收測(cè)量