Lock-in-Verstärker

Der Begriff Phasengleichrichter oder Lock-in-Verstärker (engl. lock-in amplifier) bezeichnet einen Verstärker zur Messung eines schwachen elektrischen Signals, das mit einem (in Frequenz $f_{\rm {ref}}$ und Phase bekannten) Referenzsignal moduliert ist. Der Vorteil liegt darin, dass Gleichspannungen, Wechselspannungen anderer Frequenz oder Rauschen effizient gefiltert werden. Die Geräte verbessern dadurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal to Noise Ratio). Eine Anwendung siehe im Artikel Modulator (Optik).

Als Ausgangssignal stellt der Lock-in-Verstärker im Idealfall eine Gleichspannung zur Verfügung. Sie ist proportional zu:

• Eingangsspannung;
• Kosinus der Phasenverschiebung $\Delta \phi$ zwischen Eingangsignal und Referenzsignal.

Es gibt Single Phase Lock-in- und Dual Phase Lock-in-Verstärker. Die Dual-Phase-Verstärker bestimmen das Ausgangssignal für zwei verschiedene Phasenverschiebungen, die sich meist um 90° unterscheiden. Befinden sich das Referenz-Signal und das Messsignal in Phase (${\Delta }{\phi }=0$), so wird das vom Lock-in-Verstärker erzeugte Ausgangssignal maximal. Beträgt die Phasenverschiebung 90°, so ist das Ausgangssignal Null.

Das Ausgangssignal $U_{\mathrm {out} }(t)$ ergibt sich wie folgt: $U_{\mathrm {out} }(t)=1/T\int \limits _{t-T}^{t}\mathrm {d} s\;{\sin \left[2\pi f_{\mathrm {ref} }\cdot s+\phi \right]U_{\mathrm {in} }(s)}$

Diese Formulierung gilt für ein sinusförmiges Referenzsignal. In der praktischen Anwendung (siehe optische Modulatoren) hat man es aber manchmal auch mit Rechteck-Referenzsignalen zu tun, wo das Ausgangssignal dann anders aussieht.

Die Phase zwischen Mess- und Referenzsignal ist also extrem wichtig und steht als Messergebnis gleichwertig neben der Amplitude des Messsignals. Bei manchen Messungen kann sie wertvolle Informationen liefern. Wenn beispielsweise mit ein/aus-amplitudenmoduliertem Licht gearbeitet wird, das auf einer Probe Fotoleitung bewirkt, wird der gemessene Strom der Anregung etwas nacheilen, da diverse Effekte innerhalb der Probe Zeitverzögerungen bewirken, was sich in einer Phasenverschiebung niederschlägt. Also kann man aus dem Maß der Phasenverschiebung Rückschlüsse über Art und Ausmaß dieser Effekte in der Probe ziehen.

Siehe auch: Verstärker (Technik)

Komponenten eines Lock-in-Verstärkers

Ein Lock-in-Verstärker benötigt die folgenden Funktionselemente:

• Signaleingang für das modulierte Messsignal.
• Signaleingang für das sinusförmige (manchmal auch rechteckförmige) Referenzsignal.
• Eingangsverstärker für den Signaleingang, eventuell mit Eingangsfilter.
• Phasenverschieber für die Anpassung zwischen Referenzsignal und Mess-Signal.
• Multiplizierer, der das Eingangssignal mit dem Referenzsignal multipliziert.
• Tiefpass, um eine zeitliche Mittelung über mehrere Signalperioden durchzuführen.
• Optional: Einen eingebauten Oszillator zur Modulation des Messsignals.

Die besten Signal-Empfindlichkeiten lassen sich mit Hilfe digitaler Lock-in-Verstärker auf Basis Digitaler Signalprozessoren (DSP) erzielen. Hierbei werden zunächst das Eingangssignal und das Referenz-Sinussignal digitalisiert (ADC), die Phasenverschiebung durchgeführt und anschließend multipliziert. Dann wird über die gewünschte Periodendauer integriert und das Ergebnis wird gegebenenfalls wieder in ein Analogsignal umgewandelt (DAC, Digital-to-Analog-Converter, Digital-Analog-Umsetzer). Lock-ins auf Basis von DSP ermöglichen außerdem eine genauere Bestimmung der Phasenlage zwischen Eingangssignal und Referenzsignal.

Webseiten von Herstellern

• Analoge Lock-in-Verstärker

  http://www.thinksrs.com/products/sci.htm - Stanford Research Systems, Inc. (California)

  http://www.scitec.uk.com/lockin_amplifier - Scitec Instruments Ltd (United Kingdom)

  http://www.femto.de - FEMTO Messtechnik GmbH, Berlin (Deutschland)

  http://www.becker-hickl.de/amplifiers.htm - Becker & Hickl GmbH (Deutschland)

  http://www.princetonappliedresearch.com/products/product.cfm?ProductCategory_ID=3417&Product_Id=146 - Princeton Applied Research, PAR (USA)

• Digitale Lock-in-Verstärker

  http://www.anfatec.com - Anfatec Instruments AG (Germany)

  http://www.thinksrs.com/products/sci.htm - Stanford Research Systems, Inc. (California)

  http://www.signalrecovery.com/lockinde.htm - SIGNAL RECOVERY, AMETEK Advanced Measurement Technology (United Kingdom)