¿Qué son los Amplificadores Lock-in?
Un amplificadores lock-in es un dispositivo con un circuito capaz de extraer una señal componente con una frecuencia específica a partir de una señal de entrada.
Los amplificadores lock-in eliminan el ruido multiplicando la señal de referencia y la señal de entrada por un mezclador del dispositivo y, a continuación, extraen la señal de frecuencia específica deseada mediante un filtro de paso bajo. Se establece un valor específico del dispositivo llamado constante de tiempo, y cuanto mayor sea la constante de tiempo, menores serán las fluctuaciones de la señal de salida.
Usos de los Amplificadores Lock-in
Los amplificadores lock-in se utilizan a menudo en el campo de la óptica, especialmente en mediciones espectroscópicas. A veces se utilizan en combinación con microscopios. Los amplificadores lock-in se utilizan específicamente en experimentos en los que se detectan señales débiles, por ejemplo, en mediciones astrofísicas como observaciones astronómicas, o en mediciones espectroscópicas de películas delgadas del orden de los nanómetros.
En mediciones en las que la señal derivada de la muestra es débil, como en el caso de películas delgadas de menos de unos cientos de nanómetros de grosor, es esencial un dispositivo como un amplificador lock-in que amplifique la señal y elimine el ruido. Otras aplicaciones son la microscopía de fluorescencia y la microscopía de espectroscopia Raman, así como la microscopía de sonda, como la microscopía de fuerza atómica.
Principio de los Amplificadores Lock-in
El principio de funcionamiento de un amplificador lock-in es el procesamiento de señales basado en circuitos, en el que la señal de entrada es amplificada por un preamplificador y luego multiplicada por un mezclador con una señal de referencia y un filtro de paso bajo para eliminar el exceso de componentes de ruido, detectando así la señal de frecuencia específica deseada a partir de la señal de entrada.
Dentro del amplificadore lock-in, las señales de entrada y de referencia se multiplican para producir una salida expresada como la suma o diferencia de las frecuencias de las señales de entrada y de referencia. Si Vi=Acos(ωit+Φ) para la señal de entrada y Vr=Bcosωrt para la señal de referencia, la frecuencia de la salida es proporcional a {cos[(ωi-ωr)t+Φ]+cos[(ωi+ωr)t+Φ]}.
Sin embargo, como el amplificador lock-in actúa como un filtro de paso bajo, el único componente restante es la señal con ωi-ωr cercana a cero. En otras palabras, al pasar la señal por un amplificadores lock-in, sólo se puede extraer la señal de entrada cuya frecuencia es próxima a la de la señal de referencia y se pueden eliminar componentes aleatorios como el ruido.
La señal de referencia utilizada como referencia para los Amplificadores Lock-in suele ser una onda sinusoidal. A veces se utiliza una onda cuadrada como señal de referencia para simplificar el circuito y reducir costes, pero en estos casos el rendimiento de rechazo del ruido es inferior al de una onda sinusoidal.
Más Información sobre los Amplificadores Lock-in.
1. Constantes de Tiempo y Ruido de los Amplificadores Lock-in
Los amplificadores lock-in tienen lo que se conoce como una constante de tiempo inherente. En este caso, la constante de tiempo es un valor expresado como el producto de la resistencia de una resistencia acoplada al circuito y la capacitancia de un condensador. La magnitud del ruido en la salida de un amplificador lock-in es proporcional al recíproco de la constante de tiempo, por lo que cuanto mayor sea la constante de tiempo, menor será el ruido en la señal de salida. Las magnitudes típicas de la constante de tiempo oscilan entre 10 milisegundos y 10 segundos, mientras que la constante de tiempo de un dispositivo que realiza procesamiento digital es de unos 1000 segundos.
Los amplificadores lock-in se ven afectados por la relación señal/ruido (relación señal/ruido en dB), que es una medida del nivel de ruido de la señal de entrada. Debe prestarse atención al nivel de ruido de la señal de entrada, ya que la precisión de medida del amplificadores lock-in se degrada si en la etapa anterior se utiliza un amplificador con un nivel de ruido deficiente.
2. ¿Qué es un Chopper?
Un chopper es un dispositivo que hace girar unas aspas en un ciclo fijo. Se puede decir que las medidas de alta sensibilidad que combinan un amplificadores lock-in y un chopper son uno de los métodos más comunes en las medidas espectrales.
La colocación de la lámina en el camino óptico de la luz continua permite interceptar la luz cuando la lámina está en el camino óptico y atravesarla cuando la lámina no está en el camino óptico, convirtiendo así la luz de medición en una señal con un periodo constante. En las mediciones en cristales con un gran coeficiente de absorción o en guías de ondas ópticas con grandes pérdidas de propagación, la luz de medición es fuertemente absorbida por la muestra, lo que reduce la intensidad de la luz que puede detectarse y aumenta el efecto de ruido relativo.
En tales mediciones, es más eficaz utilizar conjuntamente un amplificadores lock-in y un chopper. Modulando una señal con bajo ruido y alta frecuencia utilizando un chopper o modulador y demodulándola eficientemente utilizando un amplificadores lock-in, se puede obtener una señal con bajo ruido en la frecuencia original.
3. Amplificadores Lock-in Digitales
Los amplificadores lock-in actuales se están convirtiendo rápidamente en digitales como resultado de su ampliación de frecuencia. Una señal de referencia con una excelente relación señal/ruido y un filtro de paso bajo pronunciado son esenciales para mejorar el rendimiento de los Amplificadores Lock-in. Los amplificadores lock-in digitales están configurados para satisfacer estos requisitos.
Al utilizar un PLL (bucle de fase bloqueada) para generar internamente una nueva onda sinusoidal digital que coincida con la frecuencia y la fase de una señal de referencia externa, se suprimen la distorsión y el ruido extraño y se dispone de una señal de referencia con una excelente relación señal-ruido. También se pueden conseguir características de filtro empinadas utilizando un filtro digital de paso bajo multietapa. Con la llegada de este amplificador lock-in digital, ahora se pueden realizar mediciones de alta frecuencia de hasta 600 MHz.