低功率納米技術(shù)及其它敏感器件的測量系統-鎖定放大器測試

在敏感伏安特性和電阻值的測量中，測試裝置通常由兩部分組成：電流源以及電壓測試裝置。研究人員使用鎖定放大器測試法時(shí)一般選擇傳統電源，因為精密交流電流源在這里無(wú)法簡(jiǎn)單使用。

鎖定放大器[1]測試法。鎖定放大器可以用來(lái)測量微小交流信號，有時(shí)可達納伏[2]級。通過(guò)使用這種裝置，即使噪聲信號大于有效信號也可進(jìn)行精確測量。鎖定放大器使用一種叫做相敏檢波的技術(shù)來(lái)選出具有某一特定頻率的信號。其他頻率的噪聲信號大部分都被忽略。因為鎖定放大器只會(huì )處理測試頻率上或與之接近的交流信號，熱電效應[3]（直流與交流）的影響也都會(huì )被減弱。

圖1是一個(gè)鎖定放大器在低功率條件下檢測元件電壓的簡(jiǎn)化框圖。通過(guò)在測試對象和串聯(lián)電阻RREF上施加電壓(A sin[2π fot])來(lái)獲得一個(gè)電流。通常選擇的電阻RREF都會(huì )比測試對象阻值大許多倍，這樣這種電路可以看作是驅動(dòng)測試對象的近似電流源。

圖1鎖定放大器測量設置的簡(jiǎn)化框圖


放大后的測試對象電壓會(huì )分別與外加源同頻同相位的正交參考信號相乘，然后再分別通過(guò)低通濾波器。這其中的乘法器和濾波器可通過(guò)模擬電路來(lái)實(shí)現，但如今更普遍的方法是在鎖定放大器內部進(jìn)行數字化，然后采用數字方法實(shí)現。
在頻率點(diǎn)fo，低通濾波器[4]的輸出是電壓的實(shí)部（同相位）和虛部（90度相位）。研究人員基于預設的電流和測得的電壓值來(lái)分別計算測試對象的阻值。
使用鎖定放大器[5]的研究人員通常使儀器工作在相對較低的頻率上，比如50Hz以下。選擇低頻有許多原因：（1）得到遠低于測試對象和互聯(lián)的衰減頻率以進(jìn)行精確測量；（2）避免電源頻率處的噪聲；和（3）獲得遠低于電磁干擾濾波器的截止頻率，該濾波器用于防止環(huán)境噪聲影響測試對象。