测量微弱电信号（电压或电流信号）时，为什么要使用锁相放大器？

锁相放大器是用于微弱信号检测的仪器，微弱信号常常被淹没在各种噪声中，锁相放大器可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大器是基于互相干方法的微弱信号检测手段，其核心是相敏检测技术，利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分。
       
传统手段对微弱信号的基本处理是放大，不过在放大信号的同时，也放大了噪声，而且在不进行带限或滤波处理的情况下，任何放大操作都将使得信号信噪比下降。因此，必须先采用滤波手段提取信号，提高信噪比，以实现对微弱信号的准确测量。

通过如下一个举例，我们将会明白为什么在做微弱信号测量时需要使用锁相放大器。

假设要放大的信号是一个 10 nV，10 kHz的正弦波信号，好的低噪声放大器有大概5nV/√Hz的输入噪声。考虑下列情况：
      ①  放大器的带宽为 100 kHz，增益为1000，则放大后信号为 10 μV (10 nV x 1000)，宽频噪音为 1.6 mV(5 nV/√Hz x √100 kHz x 1000)。
           没有办法测量到该输出信号。
      ②  在放大器后加一个理想的带通滤波器，其品质因子Q=100，中心频率在10 kHz，则所有在100 Hz(10 kHz/Q) 带宽内的信号都会被检测到。此时输出信号仍为10 μV，而滤波器通带内的噪声大小为50 μV (5 nV/√Hz x √100 Hz x 1000)。
          输出噪声仍比输出信号大很多，没办法进行测量。
      ③  在放大器后加一个相敏检测器(PSD)。PSD可在带宽仅为0.01 Hz的情况下检测到10 kHz的信号。在此带宽下，输出信号仍为10 μV，噪声只有0.5 μV (5 nV/√Hz x √.01 Hz x 1000)。
          信噪比为20，可以对信号进行准确的测量。

通过上面的举例可以看到，在进行微弱电信号测量时，传统的电信号处理手段（放大）已经不能满足实验测量需求，此时我们就会考虑使用锁相放大器。那么，锁相放大器的工作原理是什么呢？通过如下视频介绍，相信您对锁相放大器（lock-in amplifier）会有一个直观的了解。

上面视频中介绍的锁相放大器工作原理的PDF版文档下载，请点击这里