基于开关电容的锁定放大器的设计与实现
摘要: 锁定放大是微弱信号检测的重要手段。基于相关检测理论，利用开关电容的开关实现锁定放大器中乘法器的功能，提出开关电容和积分器相结合以实现相关检测的方法，并设计出一种锁定放大器。该锁定放大器将微弱信号转化为与之相关的方波，通过后续电路得到正比于被测信号的直流电平，为后续采集处理提供方便。测量数据表明锁定放大器前级可将10-6A的电流转换为10-1V的电压，后级通过带通滤波器级联可将信号放大1×105倍。该方法在降低噪声的同时，可对微弱信号进行放大，线性度较高、稳定性较好。
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。
当输入直流信号时，相关器输出直流信号，其幅值正比于直流大小；当输入信号频率与参考信号频率的基波频率相等时（w=wR）,为简化问题，令，测试时间t>>Tc=RoCo时其解为：
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。
开关电容是用开关控制电容进行充放电的电路，由模拟开关和电容构成，基本电路如图3所示。2个开关由方波信号控制，U1到U2之间的等效电阻Req为：
式中，T表示方波信号的周期，Ieq表示充电电流。开关电容电路相当于T／C的电阻，既可以实现高输入阻抗，又可以组成精度和稳定性都较高的滤波器，也便于集成。
2 设计方法
如图4所示，把图2中的电阻R1换成图3中的开关电容，不仅可以实现相关检测中乘法器的功能，而且电路本身具有一定的滤波性能。如果改变控制信号的周期和积分电容的大小，就可以改变信号输出的幅值，且便于集成。由于采用积分环节，降低了噪声对微弱信号的影响。此时式(4)变为
由式(6)可知，输出的电压是直流信号。为了测量的准确，利用同一方波信号控制开关电容和积分电容的充放电，即当C1充电时，C2放电；反之，当C2充电时，C1放电。这样电路输出周期性的方波信号，经过BPF后为固定频率的正弦信号，通过改变BPF级数和放大倍数可以改变整体电路的倍数，以便测量更小的微弱信号。最后信号通过PSD后输出稳定的直流信号，便于后续电路采集。R0可以看作是开关导通电阻，可以加反馈电阻。由式(6)可
