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介绍

相位敏感或锁定放大器能够在相对高的噪声存在下提取过低的信号。在过去的几年里，在便携式或嵌入式锁定放大器的兴趣增加了仪器，用于仪器和传感目的。锁定放大器的基本方法是使得要定期测量物理量，以这种方式将DC信号转移到已知频率，从而避免高水平的低频闪烁噪声。在这个应用笔记中，我们将仅基于SLG88104 Rail到Rail I / O 375 Na Quad Opamp和被动的超低功率，低电压（单电源），锁定放大器，用于便携式或嵌入式应用电路设计的可能性。亚博国际官网平台网址组件。

锁定放大器电路

所提出的锁定放大器电路的块示意图如图1所示。该正交振荡器产生两个相移脉冲电压信号P.（相位）和问：（在正交）。相位信号也用于上电传感器。来自的信号传感器由此放大差分前置放大器然后带到了输入的投入放大器和乘数在放大的情况下（总信号处理链具有三个相对低的增益放大器，以保持大的带宽，并乘以IN相位和正交信号。乘法后，信号已被添加加法器为了消除可能的相移传感器。低通过滤后筛选并扩大了放大器输出信号V._出去与测量的物理量成正比。

为了满足所有这些要求，只能基于SLG88104轨到轨I / O 375A Quad Opamp和无源元件成功生产相应的电路。对于完整的电路，八个运算放大器（两个SLG88104芯片）和相对较少数量的无源元件（电阻器和电容器）就足够了。

所示锁定放大器块元件的相应信号如图2所示。前两个时间图表示输出信号正交振荡器，它产生具有90°的相移的两个相移脉冲电压信号。这两个信号的电压电平用逻辑电平“0”和“1”标记，因为它们用于上下电动（开启和断开）相应的运算放大器。

第三图表示电压信号在第二级输出处的时间依赖性放大器s，将电压信号传递给乘数输入的输入。这些信号具有以下值：

在哪里V._B.=V._DD./ 2是电路的共模电压（虚拟地）和V._DD.电源电压（我们需要虚拟地面，因为我们有单电源），δV.是放大的传感器关于虚拟地的信号，由δ给出V.=GA.₁V._S.（T.）， 在哪里G是个差分前置放大器获得，一种₁是第二阶段放大器扩增和V._S.（T.）是慢速变化的电压信号传感器输出，τ.是时间延迟（或等效的相移）传感器那差分前置放大器和第二阶段放大器那T.是振荡的时期正交振荡器， 和K.是一个任意整数。

在乘以帮助的乘法之后乘数S，在它们的输出中我们具有电压信号，在图2的第四和第五图中描绘了哪个时间依赖性。这些信号具有以下值：

在乘法之后，在借助于的帮助下添加信号加法器在其输出时，我们具有以下信号：

低通筛选在其输出产生输入电压信号的平均值，因此相应的信号是：

最后一个等式减少：

这给了这一点筛选输出电压信号在时间延迟（相移），但仅在传感器信号上。最后，输出信号由第三阶段放大放大器，输出电压给出V._出去=一种₂（V._F-V._B.）在哪里一种₂是第三阶段放大器放大。因此，在电路输出处，我们具有相对于虚拟地的相应信号等于：

用SLG88104轨道实现轨道I / O 375 Na Quad Opamp

锁定放大器电路的实现将基于SLG88104 Quad Opamp的独特特性。这些运算放大器的使用将使我们设计低电压，超低功耗，低噪声电路，其输出将提供与测量的物理值成比例的电压信号。由于锁定放大器的相位敏感检测的独特特性，即使存在高水平的噪声，输出电压信号也将提供关于测量物理值的非常精确的信息。值得一提的是，即使在使用通常使用模拟乘法器或模拟开关的乘法的情况下，这些运算放大器也足以实现完整的设计。

使用SLG88104 Quad Opamp的设计提供了几个优点。首先，它具有相对较低的闪烁噪声的角频率。基于这一点数据表参数，该角频率估计为约0.7Hz。因此，我们可以使用仅大约100 Hz的正交振荡器频率（已经达到了噪声地板），其为我们提供了在正交振荡器设计中使用大电阻的可能性，从而进行了超低功耗。这种低振荡频率使我们也能够设计具有相对大的增益的相应放大器，因为该运算放大器的增益带宽产品为10kHz。其次，SLG88104 Quad Opamp的另一个重要特征是PD下来的可能性一世（一世= 1,2,3,4）输入。这允许我们在输出输出时进行信号乘法差分放大器和相对相对的（P.在正交（问：）来自脉冲的信号正交振荡器。为了证明这一概念，我们建立了一个测试电路，如图3所示。（a），其中信号发生器（sg）和输出信号（OS）的相应信号如图3所示。（b）来自信号发生器（SG）的脉冲信号被带到操作放大器的PD输入。

（一种）

（b）

根据图3（b）所示的捕获示波器图像，可以注意到信号倍增，具有约100Hz的正交振荡器频率。因此，不需要采用自其他模拟电压倍增器或模拟开关以来SLG88104.具有这种乘法的可能性，可以满足锁定扩增的需求。

基于上面提出的分析和块示意图，图4给出了锁定放大器电路的建议电气原理图。

关于锁定放大器的输入，它通常取决于所用传感器的类型。例如，在图4中，电阻传感器R._S.用来。这种类型的传感器在某些物理参数这种力，压力，温度等在传感器上作用时改变其电阻率。锁定放大器的输出是电压信号，其与测量的物理值成比例。为了详细描述锁定放大器的每个部分的每个部分的每个部分的参数的选择将在下文中分别分析。

共模电压

建议的电路具有由电压源制成的单个电源V._DD.= 3 V.该电源可由两个标准型电池制成，每个电池每个都有1.5 V串联连接。为了使输出电压值的全跨度，共模电压（虚拟接地）必须具有电源电压值的一半，或V._B.=V._DD./ 2 = 1.5 V.因此，电阻值R._B1.和R._B2必须是相同的并且必须具有大的值，以降低功耗。这些电阻的所选值是：R._B1.=R._B2= 1mΩ.。电容器C_B1.用于过滤噪声，并且还必须具有大值。在建议的设计中电容器C_B1.被实现为两个具有值的电容器的并联连接100μF.和220 NF.。

正交振荡器

如前面提到的，正交振荡器用于产生两个脉冲的相移电压信号，用于对应的运算放大器。为了降低功耗，电阻器R._一世那R._T1.那R._T2.和R._T4.必须有很大的值。在建议的设计中，基于电路测试，选择了以下值：R._T1.=R._T2.=R._T4.= 1mΩ.和R._一世=700kΩ.。为了使振荡频率接近100 Hz，所选择的电容值已选择C_一世= 2.2 NF.。在一般情况下，可以根据以下关系估计振荡频率：

哪个等于F_QO.≈162Hz为建议的电阻和电容值。电阻器R._T3.不需要大量的价值。为了减少施密特触发的滞后，从而减少了在正交信号中的附加相移，电阻值必须低或如所选R._T3.=1kΩ.。此外，为了证明如图4所示的正交振荡器的概念，已经使用图5所示的结果进行了模拟。在这里，我们可以轻松地看到相位（P.在正交（问：）信号是相位偏移90°并具有135Hz的频率。

差分前置放大器

建议差分前置放大器具有电阻传感器的拓扑R._S.纳入其中。由于电路的功耗是主要问题，电阻器的值R._F和R._L.已被选为足够大，即R._F=R._L.= 1mΩ.。电阻器的值R._S.（传感器）和R._B.必须以一种方式选择差分前置放大器能够放大脉冲信号，频率大于100Hz而不会扭曲它。因此，这些电阻的最佳值是R._S.=R._B.≈19kΩ.。在这种设计的情况下，已经实现了大约1 kHz的带宽差分前置放大器。输出信号差分前置放大器关于电源负极节点：

通常，传感器电阻R._S.与其标称值相同：

在哪里R._S0.传感器标称电阻和δR._S.是由一些物理量引起的电阻变化。在δ的情况下R._S.<<R._S0.和R._S0.=R._B.满足，我们有：

高通滤波器

根据等式（10）差分前置放大器输出信号由两部分组成，慢速部分与共模电压成比例V._B.和快速变化的部分与相位信号成比例P.。的作用高通滤波器是去除慢速不同信号以及偏移电压以及低频闪烁噪声差分放大器。因此，滤波器输出处的信号由：

在哪里P'是在相位信号中延迟的时间（即相移）版本P.， IE。P'（T.）=P.（T.-τ.）， 在哪里τ.是时间延迟差分前置放大器和高通滤波器结合，在这种情况下，与之相比的情况非常小正交振荡器和V._B.是由于虚拟地添加的电压高通滤波器。为了实现约1 Hz的截止频率和低输出电流差分前置放大器，选择以下值：C_HPF.= 220 NF.和R._HPF.= 1mΩ.。

放大器和乘法器

这放大器和乘法器具有双重作用，即同时放大信号高通滤波器并通过将运算放大器进行语言来执行数字乘法。输出信号放大器和乘法器由：

在哪里P.和问：是倒数字信号的正交振荡器在阶段P.在正交问：信号分别。当其PD输入连接到高电平信号时，将信号的反相版本被考虑为OFF OFF。倒信号P.和问：也在正交。为了在不扭曲信号的情况下实现相对高的增益并同时保持低功耗，选择以下电阻值：R._G1.=100kΩ.和R._G2.= 1mΩ.。

加法器，过滤器和放大器

加法器，过滤器和放大器具有三重角色，即同时总结输出信号放大器和乘法器，执行低通过滤，并另外放大信号。信号的总和发生在电阻的公共节点处R._F1和R._F2，这也用作低通滤波器组件。根据Thévenin的定理，在这个特定节点，信号具有以下值：

最后，在过滤和额外放大之后，输出信号相对于虚拟地面（V._B.），即我们测量与共模电压的输出信号偏差，具有以下值：

在锁定放大信号处理链的分析如图1所示，以及在其中α.是值的比例因子取决于运算放大器门控过程（开启和关闭）。为了保持低功耗，使用大约1 Hz的截止频率的二阶Butterworth滤波器足够放大和过滤，选择了以下值：R._A1=100kΩ.那R._A2= 1mΩ.那R._F1=2mΩ.那R._F2= 1mΩ.那C_F1= 56 NF.， 和C_F2= 390 NF.。

示例实现

我们基于SLG88104 Quad Opamp的两个评估板构建了测试电路设置和NTC热敏电阻用于温度测量B57164K0104来自TDK Corporation，可用于约1美元的价格。图6中给出了原型电路板实现电路的照片和完整的测量和测试设置。电路的照片仅在图7中介绍，其中较低的评估板用于实现共模电压（虚拟地面）和正交振荡器，上部评估板用于实现差分前置放大器，放大器和乘法器，加法器，过滤器和放大器。

为了测试温度测量的电路，我们将NTC热敏电阻与校准热电偶一起放入试管中，从而确保两个传感器的温度相同。将试管浸入预先加热的水浴中，然后留下冷却。在控制温度计的帮助下也检查温度。用数字万用表测量热电偶温度，该数字万用表也用于同时测量电路输出信号。

NTC热敏电阻电阻随着以下方式的绝对温度变化而变化：

在哪里R._S0.是绝对温度的热敏电阻标称电阻T._0.和B.是热敏电阻参数。对于我们使用的热敏电阻：R._S0.=100kΩ，T._0.= 298.15 k（+ 25°C），和B.= 4600 K.基于等式（15），热敏电阻对围绕标称温度的窄温度范围的敏感性T._0.可以定义为：

在热敏电阻电阻变化可以定义为：

其中δT.热敏电阻温度是否相对于标称温度而变化。

从等式（14）和（17）我们有：

在哪里K.是传感系统的灵敏度。随着水浴缓慢冷却，温度与热电偶和数字万用表同时捕获，并用NTC热敏电阻与所呈现的传感器电路串联。输出电压也通过数字万用表测量，结果如图8所示。周期性地进行温度采样。用该电路测量的温度范围是+ 17℃至+ 32℃，因为电路在这些最小和最大温度下达到±1.575V的饱和电压。根据图8中提供的图获得测量的灵敏度，估计是K.≈0.22V/°C。

我们测试了正交振荡器的建议设计，其输出如图9所示。可以从图9中注意到。正交振荡器输出信号（在阶段p和正交Q中）是相位偏移约90°和振荡的相位频率约为130Hz，非常接近模拟值为135Hz。

锁定放大的最突出的特征是抑制了从上述工作中不能看出的高水平低频闪烁噪声。上述测量的目的是证明这种设计的锁定放大器的概念。如图所示，在适当的传感器和所提出的超低功率低压锁放大器电路的帮助下，可以测量真实物理量，例如温度，例如温度。为了测试锁定放大器的噪声抑制，执行电路的长期稳定性。采用具有与热敏电阻的标称电阻相同电阻的虚拟金属膜电阻而不是NTC热敏电阻。通过这种方式，我们仅测试锁定放大器的稳定性，从而消除了传感器的影响，这对于该测量是无关的。输出锁定放大器电压已在非空调室中测量24小时。在测量期间，室温在+ 17℃至+ 23°C的范围内变化。在具有2 Hz的采样频率的12位数字采集卡的帮助下采样输出信号（锁定放大器的带宽约为1 Hz）。数字采集卡的输入电压范围设置为±2 V（满量程范围FSR.= 4 V）因此提供分辨率（较小的比特值）LSB.=FSR./（2^N-1）= 0.977 mV（用于N= 12位分辨率）。测量的电压如图10所示。

锁定放大器输出噪声信号的测量标准偏差是σ._V.= 1.4 mV。考虑到使用所提出的NTC热敏电阻的温度测量方面的整体传感器灵敏度是K.≈0.22V/°C，温度测量中的分辨率等于σ._T.=σ._V./K.≈0.0064℃。记住，数字采集卡量化噪声标准偏差由

，我们已经完成了

并且作为锁定放大器的噪音和数字采集卡是独立的（两个独立的设备），可以得出结论，所有测量的噪声源自锁定放大器。图10中呈现的测量输出噪声信号的功率谱密度。

呈现的功率谱密度跨度从1μHz到1Hz，它深受位于SLG88104 Quad Opamp的闪烁噪声的范围内（从数据表闪烁噪声角频率达到0.7Hz）。人们可以期望在该范围内，我们的噪声功率谱密度增加从1 Hz开始并朝向更低的频率。但是，在测量的输出噪声功率谱密度中不能观察到这一点。此外，功率谱密度随着接近较低频率而降低。功率谱密度在极低的频率下只有急剧增加（〜2×10^-5Hz - 〜7×10^-6赫兹）。该增加的原因仅受测量时间限制（测量24小时进行）。人们可以估计锁定放大器输出噪声的噪声底部V._N≈10μV/√Hz，它转换为噪音T._N在温度测量中≈45μc/√Hz。我们还获得了0.2Hz的明显噪声源（如图11所示）的未知来源。

最后，为了证明超低功耗语句，我们测量电路的偏置电流。测量完整电路消耗16μA，其与测量的电源电压相结合为3.15V，给出了大约51μW的整体功耗。借助较大的电阻值（大于1mΩ），可以更低的这种低值更加下降。然而，较大的电阻值随后是相应较大的电压噪声。基于数据表参数，SLG88104的输入电压噪声密度是195 NV /√Hz，其仍然大于1MΩ电阻的电压噪声密度等于129nv /√Hz。

结论

我们在本应用笔记中描述的超低功耗低压锁放大器电路能够提供高性能测量，可提供相位敏感测量。闪烁的噪声，其是旨在测量缓慢变化的物理值的任何感测系统中的主要噪声分量，通过建议的设计有效地抑制了温度，力，压力等。引入这种低压，超低功率测量系统，可以轻松电池供电，现在打开了广泛的新增灌注。此外，电路具有非常独特的设计，可以用不同类型的传感器测试，从而证明电路设计的概念。此外，可以使用该测试的结果，以便以达到更高精度和更宽的带宽的方式改善设计。最后，通过选择更大的电阻值，可以通过增加噪声和更低的测量分辨率来进一步降低功耗。