鎖相放大器的工作原理

鎖相放大器（Lock-in Amplifier），又稱鎖定放大器，是一種基于互相關檢測理論的高靈敏度測量儀器，專為從強噪聲背景中提取微弱信號而設計。其核心工作原理在于利用待測信號與參考信號之間的相關性，通過相敏檢波（PSD）和低通濾波技術，實現對特定頻率信號的精確提取，同時極大抑制無關噪聲，顯著提升信噪比（SNR），甚至可在信噪比低至-60dB的極端環境下有效工作。

鎖相放大器的工作流程主要分為三個步驟：信號調制與混頻、噪聲抑制、參數提取。首先，輸入信號（通常為被噪聲嚴重污染的微弱信號）進入放大器后，與一個頻率相同、相位可控的參考信號在相敏檢波器中進行乘法運算。由于正弦函數的正交性原理，兩個同頻信號相乘會產生直流分量和二倍頻分量，而噪聲作為隨機信號，與周期性參考信號不具相關性，其乘積經積分后趨于零。隨后，通過低通濾波器（LPF）濾除二倍頻及高頻噪聲成分，僅保留與信號幅值相關的直流輸出，從而實現“窄帶化”檢測，等效帶寬可窄至毫赫茲級，極大削弱了寬帶噪聲的干擾。

在單相鎖相放大器中，輸出僅反映信號在參考信號相位方向上的投影（即同相分量X），若待測信號與參考信號存在相位差，需手動調節相位以獲得最大響應，但此方法易受相位漂移影響，導致測量不穩定。為此，雙相鎖相放大器（又稱正交鎖相放大器）被廣泛采用。它使用兩個相位相差90°的參考信號（sin和cos）分別進行檢波，得到X（實部）和Y（虛部）兩個正交分量，再通過矢量運算直接計算出信號的幅值 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)，無需實時調節相位，顯著提高了測量的精度與穩定性。

鎖相放大器的性能優勢突出：具備高達100dB以上的動態儲備，頻率響應范圍可從毫赫茲至數百兆赫茲，相位分辨率可達0.01度，電壓分辨率可達納伏（nV）級，適用于光學測量、量子物理、生物醫學檢測和工業無損探傷等多個領域。然而，其工作依賴于穩定且頻率匹配的參考信號，對信號頻率漂移敏感，且不適用于非周期或寬帶信號的直接處理。

值得注意的是，根據全國科學技術名詞審定委員會的規范，“鎖定放大器”為“Lock-in Amplifier”的正式中文譯名，“鎖相放大器”為常見意譯，在正式學術場合應優先使用規范名稱。

綜上所述，鎖相放大器通過相關檢測與正交解調技術，實現了對微弱信號的“精準鎖定”，是現代精密測量科學中不可或缺的關鍵工具。