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技術情報:計測お役立ち情報

雑音に埋もれた信号の測定 ~ロックインアンプを用いた微少信号の測定

ロックインアンプの原理(1)

周波数変換と雑音除去能力

ロックインアンプは、無線回路ではお馴染みのヘテロダイン技術を用いて、測定信号を直流に周波数変換しています。

 

原理1

 

ヘテロダインで局発 (Local OSC) と呼ばれる掛算用の信号は、ロックインアンプでは参照信号と呼び、外部から入力します。ロックインアンプは、この参照信号と等しい周波数成分の検出を行います。測定信号に含まれる各種の信号のうち、参照信号周波数と等しい成分のみが直流となり、LPFを通過できます。他の成分は周波数≠0Hzの交流信号に変換されるのでLPFで除去されます。
周波数領域では、下図のようになります。

 

原理2

 

ロックインアンプによる雑音除去能力は、上図のLPFのカットオフ周波数で決まります。例えば10kHzの測定時、1mHzのLPFを使用すると、等価的には10kHz±1mHzのバンドパスフィルタ使用時と同じ雑音除去能力になります。Qに換算すると、5×106に相当します。これ程高いQを持つBPFは製作不可能ですが、ロックインアンプなら実現は容易です。

 

前項の解説の通り、狭帯域バンドパスフィルタ (BPF) は、中心周波数と測定信号周波数がずれると測定誤差が発生、最悪の場合は測定信号そのものも除去してしまいます。

 

それに対してロックインアンプは、ローパスフィルタのカットオフ周波数が多少狂っても、直流さえ通過できれば測定結果に大きな影響は出ません。バンドパスフィルタと比べて狭帯域ローパスフィルタは実現が容易で、いくらでも狭帯域化できます。ロックインアンプが雑音中に埋もれた信号検出に強いといわれる所以です。

 

それでは、実際のロックインアンプはどうなっているのでしょうか?