一种基于开关电容技术的锁定放大器设计

随着电子学、信息论、物理学、计算机技术的发展，为满足现代科学研究和技术开发的需要，微弱信号的处理方法得到不断的发展。微弱信号检测技术可以分为两类：1)用硬件电路实现微弱信号的调理和采集，其方法主要有：滤波技术、相关检测技术、同步积累法、开关电容网络及光子计数法等；2)利用计算机技术和信息处理技术从噪声中提取微弱信号。这里主要从硬件方面提出一种新的微弱信号检测电路设计方案，利用开关电容网络和积分器相结合实现检测，在降低噪声的同时，对微弱信号进行放大。

1 锁定放大器工作原理
锁定放大器是基于互相关原理设计的一种同步相干检测仪，能够对检测信号和参考信号进行相关运算。按照互相关的数学表达式，相关器包括乘法器和积分器2部分。考虑到线性范围和动态范围，通常相关器不采用模拟乘法器，而采用线性好、动态范围大、电路简单的开关式乘法器。锁定放大器的参考信号不是一个任意函数，而是和待测信号同步的方波。锁定放大器的工作原理如图1所示。图中乘法器和积分器实现互相关运算，积分器在同步方波的控制下以充放电形成方波信号，以便后续电路处理；带通滤波器(BPF)的功能是选频和放大，根据放大倍数的需要，采用适当级数的BPF；相敏检波器(PSD)把放大后的调制信号再和载波信号相乘，利用低通滤波器(LPF)滤出高频分量，输出直流电平的大小与被测微电流成正比。

图2为锁定放大器采用的相关原理。

由此可知，相关器输出为直流电压，其值正比于输入信号的基波振幅，并与参考信号之间的相位差的余弦成正比。[p] [p]