Принципы детектирования синхронных усилителей

Синхронные усилители были изобретены в 1930 - х
годах [1,2,3] и коммерциализированы [4] в сере-
дине 20-го века как электрические приборы, спо-
собные извлекать амплитуды и фазы сигналов в
чрезвычайно шумных средах (см. Рис.1). Они ис-
пользуют гомодинную схему обнаружения и низ-
кочастотную фильтрацию для измерения амплиту-
ды и фазы сигнала относительно периодического
опорного сигнала. Синхронное измерение извлека-
ет сигналы в определенной полосе частот вокруг
опорной частоты, эффективно отбрасывая все
остальные частотные компоненты. Лучшие прибо-
ры на рынке сегодня имеют динамический запас в
120 дБ [5], что означает, что они способны точно
измерять сигнал при наличии шума до миллиона
раз выше по амплитуде, чем интересующий сигнал.
За десятилетия разработки исследователи нашли
много различных способов использования син-
хронных усилителей. Наиболее широко они ис-
пользуются в качестве прецизионных измерителей
напряжения и фазы переменного тока, блоков из-
мерения шума, импедансных спектроскопов, ана-
лизаторов цепей, спектральных анализаторов и фа-
зовых детекторов в контурах фазовой автопод-
стройки частоты. Области исследований включают
почти все шкалы длин и температур, такие как
наблюдение короны при полном солнечном свете
[6], измерение дробного квантового эффекта Холла
[7] или прямое изображение характеристик связи
между атомами в молекуле [8]. Синхронные усили-
тели чрезвычайно универсальны. Будучи столь же
важными, как анализаторы спектра и осциллогра-
фы, они являются рабочими лошадками во всех
видах лабораторных установок, от физики до ин-
женерных наук и наук о жизни. Как и в случае с
самыми мощными инструментами, только четкое
понимание принципов работы и функций позволя-
ет пользователю получить максимальную отдачу
от него и успешно проектировать эксперименты.
Этот документ содержит краткое введение в прин-
ципы синхронного усиления и объясняет наиболее
важные параметры измерений. Метод синхронного
детектирования описан как во временной, так и в
частотной области. Кроме того, подробно излага-
ются детали того, как можно использовать модуляцию сигнала
для улучшения отношения сигнал-шум (SNR) при
сохранении низкого времени обнаружения сигнала.
Наконец, обсуждаются последние инновации и
описывается современное состояние техники.