低功率納米技術(shù)及其它敏感器件的測量系統(tǒng)-鎖定放大器測試

在敏感伏安特性和電阻值的測量中，測試裝置通常由兩部分組成：電流源以及電壓測試裝置。研究人員使用鎖定放大器測試法時一般選擇傳統(tǒng)電源，因為精密交流電流源在這里無法簡單使用。

鎖定放大器[1]測試法。鎖定放大器可以用來測量微小交流信號，有時可達納伏[2]級。通過使用這種裝置，即使噪聲信號大于有效信號也可進行精確測量。鎖定放大器使用一種叫做相敏檢波的技術(shù)來選出具有某一特定頻率的信號。其他頻率的噪聲信號大部分都被忽略。因為鎖定放大器只會處理測試頻率上或與之接近的交流信號，熱電效應(yīng)[3]（直流與交流）的影響也都會被減弱。

圖1是一個鎖定放大器在低功率條件下檢測元件電壓的簡化框圖。通過在測試對象和串聯(lián)電阻RREF上施加電壓(A sin[2π fot])來獲得一個電流。通常選擇的電阻RREF都會比測試對象阻值大許多倍，這樣這種電路可以看作是驅(qū)動測試對象的近似電流源。

圖1鎖定放大器測量設(shè)置的簡化框圖


放大后的測試對象電壓會分別與外加源同頻同相位的正交參考信號相乘，然后再分別通過低通濾波器。這其中的乘法器和濾波器可通過模擬電路來實現(xiàn)，但如今更普遍的方法是在鎖定放大器內(nèi)部進行數(shù)字化，然后采用數(shù)字方法實現(xiàn)。
在頻率點fo，低通濾波器[4]的輸出是電壓的實部（同相位）和虛部（90度相位）。研究人員基于預(yù)設(shè)的電流和測得的電壓值來分別計算測試對象的阻值。
使用鎖定放大器[5]的研究人員通常使儀器工作在相對較低的頻率上，比如50Hz以下。選擇低頻有許多原因：（1）得到遠低于測試對象和互聯(lián)的衰減頻率以進行精確測量；（2）避免電源頻率處的噪聲；和（3）獲得遠低于電磁干擾濾波器的截止頻率，該濾波器用于防止環(huán)境噪聲影響測試對象。