對于幅度較小的直流信號或慢變信號，為了防止1/f噪聲和直流放大器的直流漂移的不利影響，一般都使用調制器或斬波器將其變換成交流信號后，再進行放大和處理，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，提高信噪比，之后再進行解調和低通濾波，以得到放大了的被測信號，要達到足夠的信噪比SNR，用于提高信噪比的帶通濾波器(BPF)的帶寬必須非常窄，Q值（Q= W0/B，B為帶寬，W0為中心頻率）必須非常高（甚至要求有上萬的等效Q值），這在實際上往往很難實(一般上百的Q值的帶通濾波器設計實現都有一定難度了)，而且Q值太高的帶通濾波器往往不穩定，溫度、電源電壓的波動均會使濾波器的中心發生變化，從而導致其通頻帶不能覆蓋信號頻率，使得測量系統無法穩定可靠地進行測量。在這種情況下，利用鎖定放大器可以很好地解決上述問題,其實現的等效帶寬可以到毫Hz級別。

鎖定放大器(lock-in amplifier，LIA)自問世以來，在微弱信號檢測方面顯示出優秀的性能，在科學研究的各個領域得到了廣泛的應用，推動了物理、化學、生物醫學、地震、海洋、核術等行業的發展。

鎖定放大器的信號處理本質就是做相關運算 ，利用噪聲與信號的不相關性來剔除噪聲影響，對于加性噪聲非常有效。

一、數學原理

Sinput(t)=Si(t)+Noise(t)，Sref(t)是與Si(t)同頻固定相位差的參考信號，Noise(t)信號可以淹沒Si(t)，

Sout(t)=LPF[Sinput(t)*Sref(t)], 相乘濾波積分后就可以得到Si(t)的幅度信息，若需要Si(t)的相位信息就需要采用兩路正交相關處理。 鎖定放大器的信號處理本質就是做相關運算 。

二、基本實現結構

上圖中的PSD是核心部件，又叫相敏檢測器，其實就是精確的相乘功能

以上兩圖都是正交矢量鎖定放大的原理結構，IQ兩路的電路對稱性要求很高，如果兩路做得性能不一致，將影響幅度和相位檢測精度；其中的PSD是模擬電路實現，其精確性、高速性是非常關鍵和有實現難度的，有人可能會問：用數字技術處理相關不是更簡單高效？確實采樣后做數字相關是一種很好的方案，商業產品也有數字相關器來做PSD的，但其主要受限于ADC和前端信號調理通道的性能，ADC的積分非線性誤差、微分非線性誤差、ADC的信噪比等都會影響檢測精度，何況這是檢測淹沒于噪聲中的微弱信號，其信號幅度可能在uv量級以下，而噪聲在mv數量級以上，當使用ADC采樣時需要設計一個一致性非常好的調理電路，且其噪聲足夠低，還需要將其放大到ADC的滿量程，假設ADC的滿量程是3.3v，這就要求設計一個大概一千倍的超精密低噪聲放大器，這是有難度的，所以兩種方案各有優缺點，我們在這里主要是介紹模擬電路實現方案，就不再論述數字實現方案。當檢測信號頻率很高時，可以采用下圖的外差式結構：

外差式結構實現難點更多：頻率合成、混頻、移相網絡，各各都是坑！

三、鎖定放大器應用舉例

1）微小阻抗測試

很多種傳感器可以將被測物理量或化學量轉換成電感、電容或電阻的變化，之后檢測這些阻抗的變化，并指示出被測量，一般使用鎖定放大器的場合都是變化非常微弱的場合，普通阻抗測試是根本測不出來的。

例如：熱電阻將溫度的變化轉換為電阻的變化；貼在構件表面的應變片將構件應變的變化轉換為電阻的變化；電感式位移傳感器或差動變壓器將位移轉換為電感的變化；被測介質的位置、濕度，密度等的變化都可以通過合適的傳感器轉換成電容的變化。。。,這類測試可以采用電橋結構，如下圖：

2）RLC復阻抗測試

3）振動分析

4）噪聲系數測試

5）光學特性測試

6） 金屬材料張力測試、俄歇電子能譜測試、超導材料的微分電阻測試、超導材料的磁化率測試、紅外分光光度計、.........

四、小結

1）對于淹沒在噪聲中的正弦信號的幅度和相位，可以利用鎖定放大器進行檢測。

2）但是如是需要恢復淹沒在噪聲中的脈沖波形，則鎖定放大器是無能為力的, 這需要使用取樣積分和數字平均電路的實現。取樣積分在物理、化學、生物醫學、核磁共振等領域得到了廣泛的應用，對于恢復淹沒在噪聲中的周期或似周期脈沖波形卓有成效，例如，生物醫學中的血流、腦電或心電信號的波形測量，發光物質受激后所發出的熒光波形測量，核磁共振信號測量等。

3）鎖定放大器和取樣積分都是針對淹沒在噪聲中的信號提取技術，這類信號在示波器上只能看見一大堆雜亂無章的噪聲信號身影，要提取的信號都淹沒在噪聲中了，傳統的放大濾波處理是不行的，隨著數字信號處理技術的發展，這兩種技術都由數字芯片實現，但其難點是信號調理電路設計與ADC特性，模擬實現基本可以回避這個難點。