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锁相放大器中的动态储备是什么意思?

时间:2023-10-24 16:04:47 作者:博纳德 点击:

“动态储备”一词在关于锁定放大器的讨论中经常出现。假设锁定输入由11.png处的满量信号和其他频率上的噪声组成。动态储备的传统定义是最大可容忍噪声信号与满量信号之比,以分贝为单位表示。例如,如果满量为1µV,那么60dB的动态储备意味着可以在输入端容忍比满量大60dB的1mV的噪声信号而不会过载。

这个定义的问题在于“可容忍”一词。显然,动态储备限制下的噪声不应该在仪器的任何地方引起过载,包括输入信号放大器、PSD、低通滤波器或直流放大器。这是通过调整增益分布来实现的。为了获得高储备,输入信号增益被设置得非常低,以确保噪声不太可能引起过载。这意味着PSD上的信号也非常小。低通滤波器从PSD输出中去除大的噪声成分,使得剩余的直流成分可以被放大(很多倍)以达到10V的满量。在低增益下运行输入放大器没有问题。然而,正如我们之前讨论过的,模拟锁定放大器由于PSD的线性和PSD和直流放大器的直流偏移而存在高储备的问题。在模拟锁定放大器中,大噪声信号几乎总是以某种方式干扰测量。最常见的问题是噪声信号引起的直流输出误差。这可以表现为偏移或增益误差。由于这两种效应都取决于噪声的幅度和频率,在所有情况下都无法将其偏移到零点,并且会限制测量精度。由于这些误差是直流性质的,增加时间常数并不能帮助。大多数锁定放大器将可容忍的噪声定义为不会影响输出超过满量的几个百分点的水平。这比简单地不过载更严格。

高动态储备的另一个效果是在输出端产生噪声和漂移。这是因为直流输出放大器运行在非常高的增益下,而PSD输出或直流放大器输入的低频噪声和偏移漂移会被放大并在输出端显得很大。与直流漂移误差相比,噪声更容忍,因为增加时间常数会衰减噪声。在模拟锁定放大器中,使用60dB的动态储备时,直流漂移通常在每摄氏度1000ppm的量级。这意味着在温度变化10摄氏度时,零点会移动满量的1%。这通常被认为是可容忍的限度。

最后,动态储备取决于噪声频率。显然,参考频率上的噪声会在不衰减的情况下传递到输出端。因此,fref处的动态储备为0dB。随着噪声频率远离参考频率,动态储备增加。为什么?因为PSD之后的低通滤波器会衰减噪声成分。记住,PSD输出的频率是22.png。储备增加的速率取决于低通滤波器的时间常数和滚降。储备的增加速率与滤波器的滚降。

动态储备

上面的图显示了实际储备与噪声频率之间的关系。在一些仪器中,信号输入会衰减远远超出锁定放大器的工作范围的频率(fnoise>>100 kHz)。在这些情况下,储备在这些频率上可能比在工作范围内更高。虽然这创造了一个很好的规格,但是消除远离参考频率的噪声不需要锁定放大器。锁定放大器是用于在信号附近存在噪声的情况下使用的。因此,对于工作范围内的噪声来说,动态储备更为重要。

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