Was ist ein Lock-In-Verstärker?
Ein Lock-In-Verstärker ist ein Gerät mit einer Schaltung, die in der Lage ist, ein Komponentensignal mit einer bestimmten Frequenz aus einem Eingangssignal zu extrahieren.
Lock-In-Verstärker entfernen das Rauschen, indem sie ein Referenzsignal und ein Eingangssignal mit einem Mischer im Gerät multiplizieren und dann ein Signal mit der gewünschten spezifischen Frequenz mit Hilfe eines Tiefpassfilters extrahieren. Dabei wird ein gerätespezifischer Wert, die so genannte Zeitkonstante, eingestellt, und je größer die Zeitkonstante ist, desto geringer sind die Schwankungen im Ausgangssignal.
Anwendungen von Lock-In-Verstärkern
Lock-In-Verstärker werden häufig im Bereich der Optik eingesetzt, insbesondere bei spektroskopischen Messungen. Manchmal werden sie auch in Kombination mit Mikroskopen verwendet. Lock-in-Verstärker werden insbesondere bei Experimenten eingesetzt, bei denen schwache Signale erfasst werden, z. B. bei astrophysikalischen Messungen wie astronomischen Beobachtungen oder bei spektroskopischen Messungen von dünnen Schichten in der Größenordnung von Nanometern.
Bei Messungen, bei denen das von der Probe stammende Signal schwach ist, z. B. bei dünnen Filmen mit einer Dicke von weniger als ein paar hundert Nanometern, ist ein Gerät wie ein Lock-In-Verstärker, der das Signal verstärkt und das Rauschen entfernt, unerlässlich. Weitere Anwendungen sind die Fluoreszenzmikroskopie und die Mikroskopie mit Raman-Spektroskopie sowie die Sondenmikroskopie wie die Rasterkraftmikroskopie.
Funktionsweise von Lock-In-Verstärkern
Die Funktionsweise eines Lock-In-Verstärkers ist eine schaltungsbasierte Signalverarbeitung, bei der das Eingangssignal durch einen Vorverstärker verstärkt und dann durch einen Mischer mit einem Referenzsignal und einem Tiefpassfilter multipliziert wird, um überschüssige Rauschkomponenten zu entfernen und so das gewünschte spezifische Frequenzsignal aus dem Eingangssignal zu erkennen.
Im Lock-In-Verstärker werden das Eingangs- und das Referenzsignal miteinander multipliziert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das als Summe oder Differenz der Frequenzen von Eingangs- und Referenzsignal ausgedrückt wird. Wenn Vi=Acos(ωit+Φ) für das Eingangssignal und Vr=Bcosωrt für das Referenzsignal, ist die Frequenz des Ausgangs proportional zu {cos[(ωi-ωr)t+Φ]+cos[(ωi+ωr)t+Φ]}.
Da der Lock-In-Verstärker jedoch als Tiefpassfilter fungiert, ist die einzige verbleibende Komponente das Signal mit ωi-ωr nahe Null. Mit anderen Worten, indem das Signal durch einen Lock-In-Verstärker geleitet wird, kann nur das Eingangssignal extrahiert werden, dessen Frequenz nahe an der des Referenzsignals liegt, und zufällige Komponenten wie Rauschen können entfernt werden.
Als Referenzsignal für den Lock-In-Verstärker wird häufig eine Sinuswelle verwendet. Um die Schaltung zu vereinfachen und die Kosten zu senken, wird manchmal eine Rechteckwelle als Referenzsignal verwendet, aber in solchen Fällen ist die Rauschunterdrückung schlechter als bei einer Sinuswelle.
Weitere Informationen über Lock-In-Verstärker
1. Zeitkonstanten und Rauschen von Lock-In-Verstärkern
Lock-In-Verstärker haben eine so genannte inhärente Zeitkonstante. Die Zeitkonstante ist hier ein Wert, der als Produkt aus dem Widerstand eines an den Stromkreis angeschlossenen Widerstands und der Kapazität eines Kondensators ausgedrückt wird. Die Größe des Rauschens am Ausgang eines Lock-In-Verstärkers ist proportional zum Kehrwert der Zeitkonstante, d. h. je größer die Zeitkonstante ist, desto geringer ist das Rauschen im Ausgangssignal. Typische Zeitkonstanten liegen zwischen 10 Millisekunden und 10 Sekunden, während die Zeitkonstante eines Geräts, das eine digitale Verarbeitung durchführt, etwa 1000 Sekunden beträgt.
Lock-In-Verstärker werden durch das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-Rausch-Verhältnis in dB) beeinflusst, das ein Maß für den Rauschpegel des Eingangssignals ist. Der Rauschpegel des Eingangssignals muss beachtet werden, da sich die Messgenauigkeit des Lock-In-Verstärkers verschlechtert, wenn in der Vorstufe ein Verstärker mit einem schlechten Rauschpegel verwendet wird.
2. Was ist ein Chopper?
Ein Chopper ist ein Gerät, das Flügel in einem festen Zyklus rotieren lässt. Hochempfindliche Messungen, bei denen ein Lock-in-Verstärker und ein Chopper kombiniert werden, können als eine der häufigsten Methoden bei Spektralmessungen bezeichnet werden.
Durch die Platzierung des Choppers im Strahlengang eines kontinuierlichen Lichtstrahls wird das Licht blockiert, wenn sich die Lamelle im Strahlengang befindet, und das Licht wird durchgelassen, wenn sich die Lamelle nicht im Strahlengang befindet, wodurch das gemessene Licht in ein Signal mit konstanter Periode umgewandelt wird. Bei Messungen an Kristallen mit einem großen Absorptionskoeffizienten oder an Lichtwellenleitern mit großen Ausbreitungsverlusten wird das Messlicht von der Probe stark absorbiert, was die Intensität des detektierbaren Lichts verringert und den relativen Rauscheffekt erhöht.
Bei solchen Messungen ist es effektiver, einen Lock-In-Verstärker und einen Chopper zusammen zu verwenden. Durch Modulation eines Signals mit geringem Rauschen und hoher Frequenz mit einem Chopper oder Modulator und dessen effiziente Demodulation mit einem Lock-In-Verstärker kann ein rauscharmes Signal mit der ursprünglichen Frequenz erhalten werden.
3. Digitale Lock-in-Verstärker
Die heutigen Lock-In-Verstärker werden aufgrund ihrer Frequenzerweiterung immer mehr zu digitalen Verstärkern. Ein Referenzsignal mit einem ausgezeichneten Signal-Rausch-Verhältnis und ein steiler Tiefpassfilter sind für die Verbesserung der Leistung von Lock-In-Verstärkern unerlässlich, und digitale Lock-In-Verstärker sind so konfiguriert, dass sie diese Anforderungen erfüllen.
Durch den Einsatz einer PLL (Phase Locked Loop) zur internen Erzeugung einer neuen digitalen Sinuswelle, die mit der Frequenz und Phase eines externen Referenzsignals übereinstimmt, werden Verzerrungen und Fremdgeräusche unterdrückt, und es steht ein Referenzsignal mit einem hervorragenden Signal-Rausch-Verhältnis zur Verfügung. Steile Filtercharakteristiken können auch durch die Verwendung eines mehrstufigen digitalen Tiefpassfilters erreicht werden. Mit der Einführung dieses digitalen Lock-in-Verstärkers können nun Hochfrequenzmessungen bis zu 600 MHz durchgeführt werden.