锁相放大器是一种能够“锁定”在特定频率信号上并放大它，排除其他频率的设备。为了说明其运作原理，假设信号包含两个频率，S(t) = A1sin(ω1t+φ) + A2sin(ω2t)。在锁相放大器中，信号与参考函数R(t) = sin(ωrt)相乘，并通过低通滤波器进行滤波。通过简单的三角恒等式，可以证明
如果参考频率ωr接近ω1，则ω1−ωr是一个低频，将通过低通滤波器，而其他项将被滤波器拒绝。通过这种方式，锁相放大器可以选择接近参考频率的频率。如果ω1 = ωr且φ = 0，则锁相仅仅测量ω1处的信号幅度。如果两个频率略有不同，它将测量它们之间的拍频。
我们还可以确定信号相对于参考的相位。如果我们将信号乘以参考函数R1(t) = cos(ωrt)，那么我们得到Y(t) = A1sin[(ω1−ωr)t+φ]/2 + (高频项)。如果ω1 = ωr，则Y/X = tan(φ)。有时候查看R = X 2 + Y 2 也很方便，它不依赖于信号的相位。
低通滤波器的截止频率决定了放大器的选择性。更常见的是参考锁相放大器的时间常数τ = 1/(2πfc)。较长的时间常数(较小的截止频率)更好地排除噪声，但会减慢锁相对信号变化的响应。较小的时间常数(较高的截止频率)增加了响应速度，但也使信号更嘈杂。
锁相放大器通常与调制技术结合使用以检测非常微弱的信号。其思想是以已知频率调制一个小信号，然后使用与该频率同步的锁相放大器检测结果响应。
锁相放大器的组成
锁相放大器组成如图所示。每个元素都可以使用简单的集成电路构建。
1、乘法器
锁相放大器的核心是执行输入信号和参考信号的乘法运算的乘法器。模拟乘法器利用晶体管的非线性特性，需要更多的电路来实现准确的传递函数Vout=V1 × V2。一个例子是AD633芯片。也可以使用开关而不是模拟乘法器来实现锁相放大器。通过开关，可以得到在V和-V之间交替的信号，这相当于将信号V乘以方波参考波。
2、参考信号发生器
为了生成正弦参考波，我们需要一个带有正弦输出的振荡器。它可以使用任何具有正反馈的放大器来生成(类似于高音反馈)。然而，为了获得无畸变的高质量正弦波，需要控制振荡器的增益。
如果我们使用开关将信号乘以方波，只需构建一个方波振荡器即可。一个常用的方法是使用LM555定时器芯片。
在某些情况下，参考频率不是任意的，而是由外部参考频率确定。在这种情况下，“锁定”这个术语可能是最合适的，因为设备应该锁定到特定频率并跟踪它，即使频率正在改变。一种常见的方法是使用所谓的“锁相环”(Phase-Locked-Loop)- 一个频率被锁定到外部参考的振荡器。它可以使用LM565 PLL芯片来实现。
重要的是要考虑信号和参考之间的相位关系。如果它们恰好相位差90°，则不会有输出!因此，最好在信号和参考之间加入一些相位调整的可能性。例如，可以使用RC延迟电路来实现这一点。
3、 前置放大器
前置放大器的目的是增加小输入信号的幅度。根据输入类型，使用不同类型的前置放大器。例如，通常使用差动放大器进行不受地线噪声影响的差分测量。如果输入信号是电流(例如来自光电二极管)，则通常使用电流到电压放大器来实现，通常使用运放来实现。
4、低通滤波器
低通滤波器确定锁相放大器的输出带宽，并消除在乘法过程中产生的参考信号的一次和二次谐波。滤波器的截止频率必须远低于锁相放大器的工作频率。低通滤波器可以使用被动元件(如RC滤波器)实现，也可以将R和C元件与运放一起使用。多级滤波可以提高频率截止的陡峭度。
5、输出放大器
在滤波器消除参考频率及以上的信号后，剩余的电压与我们试图测量的信号成正比，因此会相对较小。现在，我们可以放大这个信号，而不会因为大量的参考信号而使放大器过载。在这里，适用高增益放大器，可以使用1-2级运算放大器放大。
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