Qu’est-ce qu’un amplificateur à verrouillage ?
Un amplificateur à verrouillage est un appareil doté d’un circuit capable d’extraire un signal de composant d’une fréquence spécifique à partir d’un signal d’entrée.
Les amplificateurs à verrouillage éliminent le bruit en multipliant un signal de référence et un signal d’entrée par un mélangeur dans l’appareil, puis extraient un signal de la fréquence spécifique souhaitée au moyen d’un filtre passe-bas. Une valeur spécifique à l’appareil, appelée constante de temps, est fixée. Plus la constante de temps est grande, plus les fluctuations du signal de sortie sont faibles.
Utilisations des amplificateurs à verrouillage
Les amplificateurs à verrouillage sont souvent utilisés dans le domaine de l’optique, en particulier pour les mesures spectroscopiques. Ils sont parfois utilisés en combinaison avec des microscopes. Les amplificateurs à verrouillage sont particulièrement utilisés dans les expérimentations où de faibles signaux sont détectés, par exemple dans les mesures astrophysiques telles que les observations astronomiques ou les mesures spectroscopiques de films minces de l’ordre du nanomètre.
Dans les mesures où le signal dérivé de l’échantillon est faible, comme les films minces d’une épaisseur inférieure à quelques centaines de nanomètres, un dispositif tel qu’un amplificateur à verrouillage qui amplifie le signal et élimine le bruit est essentiel. D’autres applications comprennent la microscopie à fluorescence et la spectroscopie Raman, ainsi que la microscopie à sonde telle que la microscopie à force atomique.
Principe des amplificateurs à verrouillage
Le principe de fonctionnement d’un amplificateur à verrouillage est un traitement de signal basé sur un circuit, dans lequel le signal d’entrée est amplifié par un préamplificateur, puis multiplié par un mélangeur avec un signal de référence et un filtre passe-bas pour éliminer les composantes de bruit excessives, détectant ainsi le signal de fréquence spécifique désiré à partir du signal d’entrée.
Dans l’amplificateur à verrouillage, les signaux d’entrée et de référence sont multipliés ensemble pour produire une sortie exprimée comme la somme ou la différence des fréquences des signaux d’entrée et de référence. Si Vi=Acos(ωit+Φ) pour le signal d’entrée et Vr=Bcosωrt pour le signal de référence, la fréquence de la sortie est proportionnelle à {cos[(ωi-ωr)t+Φ]+cos[(ωi+ωr)t+Φ]}.
Cependant, comme l’amplificateur à verrouillage agit comme un filtre passe-bas, la seule composante restante est le signal avec ωi-ωr proche de zéro. En d’autres termes, en faisant passer le signal par un amplificateur à verrouillage, seul le signal d’entrée dont la fréquence est proche de celle du signal de référence peut être extrait et les composantes aléatoires telles que le bruit peuvent être éliminées.
Le signal de référence utilisé comme référence pour l’amplificateur à verrouillage est souvent une onde sinusoïdale. Une onde carrée est parfois utilisée comme signal de référence pour simplifier le circuit et réduire les coûts, mais dans ce cas, les performances de rejet du bruit sont inférieures à celles d’une onde sinusoïdale.
Autres informations sur les amplificateurs à verrouillage
1. Constantes de temps et de bruit des amplificateurs à verrouillage
Les amplificateurs à verrouillage ont ce que l’on appelle une constante de temps inhérente. La constante de temps est ici une valeur exprimée comme le produit de la résistance d’une résistance attachée au circuit et de la capacité d’un condensateur. L’ampleur du bruit en sortie d’un amplificateur à verrouillage est proportionnelle à l’inverse de la constante de temps, de sorte que plus la constante de temps est grande, plus le bruit dans le signal de sortie est faible. Les constantes de temps typiques sont comprises entre 10 millisecondes et 10 secondes, alors que la constante de temps d’un appareil effectuant un traitement numérique est d’environ 1 000 secondes.
Les amplificateurs à verrouillage sont affectés par le rapport signal/bruit (rapport signal/bruit en dB), qui est une mesure du niveau de bruit du signal d’entrée. Il convient de prêter attention au niveau de bruit du signal d’entrée, car la précision de mesure de l’amplificateur à verrouillage dégrade si un amplificateur ayant un faible niveau de bruit est utilisé dans l’étape précédente.
2. Qu’est-ce qu’un hacheur ?
Un hacheur est un dispositif qui fait tourner des pales selon un cycle fixe. Les mesures à haute sensibilité combinant un amplificateur à verrouillage et un hacheur peuvent être considérées comme l’une des méthodes les plus courantes dans les mesures spectroscopiques.
En le plaçant sur le chemin optique d’un faisceau de lumière continue, la lumière est bloquée lorsque la lame est sur le chemin optique, et la lumière peut passer lorsque la lame n’est pas sur le chemin optique, convertissant ainsi la lumière mesurée en un signal avec une période constante. Lors de mesures sur des cristaux à fort coefficient d’absorption ou sur des guides d’ondes optiques à fortes pertes de propagation, la lumière de mesure est fortement absorbée par l’échantillon, ce qui réduit l’intensité de la lumière pouvant être détectée et augmente l’effet de bruit relatif.
Pour de telles mesures, il est plus efficace d’utiliser conjointement un amplificateur à verrouillage et un hacheur. En modulant un signal à faible bruit et à haute fréquence à l’aide d’un hacheur ou d’un modulateur et en le démodulant efficacement à l’aide d’un amplificateur de lock-in, on peut obtenir un signal à faible bruit à la fréquence d’origine.
3. Amplificateurs numériques à verrouillage
Les amplificateurs à verrouillage d’aujourd’hui deviennent très souvent numériques en raison de leur extension de fréquence. Un signal de référence avec un excellent rapport signal/bruit et un filtre passe-bas abrupt sont essentiels pour améliorer les performances des amplificateurs d’asservissement, et les amplificateurs d’asservissement numériques sont configurés pour répondre à ces exigences.
En utilisant une boucle à verrouillage de phase (PLL) pour générer en interne une nouvelle onde sinusoïdale numérique qui correspond à la fréquence et à la phase d’un signal de référence externe, la distorsion et les bruits parasites sont supprimés et un signal de référence avec un excellent rapport signal/bruit est disponible. L’utilisation d’un filtre numérique passe-bas à plusieurs étages permet également d’obtenir des caractéristiques de filtrage abruptes. Avec l’avènement de cet amplificateur numérique à verrouillage, il est désormais possible de réaliser des mesures à haute fréquence jusqu’à 600 MHz.