一種基于開關(guān)電容技術(shù)的鎖定放大器設(shè)計(jì)

隨著電子學(xué)、信息論、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為滿足現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的需要，微弱信號的處理方法得到不斷的發(fā)展。微弱信號檢測技術(shù)可以分為兩類：1)用硬件電路實(shí)現(xiàn)微弱信號的調(diào)理和采集，其方法主要有：濾波技術(shù)、相關(guān)檢測技術(shù)、同步積累法、開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)及光子計(jì)數(shù)法等；2)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)從噪聲中提取微弱信號。這里主要從硬件方面提出一種新的微弱信號檢測電路設(shè)計(jì)方案，利用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和積分器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)檢測，在降低噪聲的同時，對微弱信號進(jìn)行放大。

1 鎖定放大器工作原理
鎖定放大器是基于互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測儀，能夠?qū)z測信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。按照互相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，相關(guān)器包括乘法器和積分器2部分。考慮到線性范圍和動態(tài)范圍，通常相關(guān)器不采用模擬乘法器，而采用線性好、動態(tài)范圍大、電路簡單的開關(guān)式乘法器。鎖定放大器的參考信號不是一個任意函數(shù)，而是和待測信號同步的方波。鎖定放大器的工作原理如圖1所示。圖中乘法器和積分器實(shí)現(xiàn)互相關(guān)運(yùn)算，積分器在同步方波的控制下以充放電形成方波信號，以便后續(xù)電路處理；帶通濾波器(BPF)的功能是選頻和放大，根據(jù)放大倍數(shù)的需要，采用適當(dāng)級數(shù)的BPF；相敏檢波器(PSD)把放大后的調(diào)制信號再和載波信號相乘，利用低通濾波器(LPF)濾出高頻分量，輸出直流電平的大小與被測微電流成正比。

圖2為鎖定放大器采用的相關(guān)原理。

由此可知，相關(guān)器輸出為直流電壓，其值正比于輸入信號的基波振幅，并與參考信號之間的相位差的余弦成正比。