鎖相放大器（LIA）基本原理

鎖相放大器是微弱信號檢測領域的核心工具，廣泛應用于電生理、傳感器測量等場景。其核心在于利用信號相關性，從強噪聲背景中提取有用信號。

1.基本概念

1)適用范圍

提取被隨機噪聲（白噪聲）和1/f噪聲（低頻噪聲）污染的有用信號

2)基本原理

鎖相放大器是用來檢測微弱信號，這些信號中通常伴隨著比信號本身數千倍的噪聲。鎖相放大器由其特殊的方法可以精確的測量這些微弱信號。這種方法便是基于信號的相關性。

a)輸入信號被周期性信號（方波或正弦波）調制

b)正弦信號具有完備性，噪聲信號是隨機信號（白噪聲），且隨機信號與正弦信號不具備相關性

鎖相放大器的核心技術為相敏檢波（PSD）。傳統的處理微弱信號的方法是采用放大器，但放大器會同時放大有用信號和噪聲，如果沒有帶寬限制或濾波，將會導致信噪比（SNR）比較差，因此若想精確的測量出這些信號，就需要采用濾波器來凈化這些信號，提高信噪比（SNR）。而相敏檢波可以被看作是一個具有很窄帶寬的帶通濾波器。相敏檢波（PSD）基本框圖如下圖。

單相鎖相放大器框圖如下圖。

其中，

為輸入信號，式中為測試信號，也就是我們的有用信號，為總噪聲。

為參考信號，它與輸入信號有相同的頻率，但它們之間有一定的相位差。

經過相敏檢波（PSD）后，得（使用積化和差公式）：

3.雙相鎖相放大器

雙相鎖相放大器也叫正交鎖相放大器，它包含2個相敏檢波（PSD），其結構框圖如下圖。

在單相LIA結構中，輸入信號包含有用信號和噪聲，參考信號與之同頻但存在相位差。兩者在相敏檢波器中相乘，輸出包含直流分量、二倍頻分量及噪聲項。隨后，低通濾波器（LPF）濾除高頻分量和無相關性的噪聲，最終輸出穩定的直流信號，其幅值與輸入信號幅值及相位差余弦成正比。

為克服單相LIA需手動調節相位且精度不穩的缺陷，雙相（正交）LIA采用兩路相位差90°的參考信號，分別進行解調，得到相互正交的輸出X和Y。通過計算這兩個輸出的合成值和角度，可同時獲得信號的幅值和相位信息，實現全范圍高精度測量，無需動態調整參考相位。

隨著數字技術的發展，數字鎖相放大器（DLIA）逐漸成為主流。它通過ADC對信號數字化，利用FPGA或DSP實現混頻與濾波的全數字化處理，具有集成度高、配置靈活、性能穩定等優勢。現代LIA不僅作為精密交流電壓表和相位計，還可集成功能如阻抗分析、頻譜測量等，是科研與工程中不可或缺的高靈敏度測量儀器。