锁相放大器是微弱信号检测领域的核心工具，广泛应用于电生理、传感器测量等场景。其核心在于利用信号相关性，从强噪声背景中提取有用信号。

1.基本概念

1)适用范围

提取被随机噪声（白噪声）和1/f噪声（低频噪声）污染的有用信号

2)基本原理

锁相放大器是用来检测微弱信号，这些信号中通常伴随着比信号本身数千倍的噪声。锁相放大器由其特殊的方法可以精确的测量这些微弱信号。这种方法便是基于信号的相关性。

a)输入信号被周期性信号（方波或正弦波）调制

b)正弦信号具有完备性，噪声信号是随机信号（白噪声），且随机信号与正弦信号不具备相关性

锁相放大器的核心技术为相敏检波（PSD）。传统的处理微弱信号的方法是采用放大器，但放大器会同时放大有用信号和噪声，如果没有带宽限制或滤波，将会导致信噪比（SNR）比较差，因此若想精确的测量出这些信号，就需要采用滤波器来净化这些信号，提高信噪比（SNR）。而相敏检波可以被看作是一个具有很窄带宽的带通滤波器。相敏检波（PSD）基本框图如下图。

单相锁相放大器框图如下图。

其中，

为输入信号，式中为测试信号，也就是我们的有用信号，为总噪声。

为参考信号，它与输入信号有相同的频率，但它们之间有一定的相位差。

经过相敏检波（PSD）后，得（使用积化和差公式）：

3.双相锁相放大器

双相锁相放大器也叫正交锁相放大器，它包含2个相敏检波（PSD），其结构框图如下图。

在单相LIA结构中，输入信号包含有用信号和噪声，参考信号与之同频但存在相位差。两者在相敏检波器中相乘，输出包含直流分量、二倍频分量及噪声项。随后，低通滤波器（LPF）滤除高频分量和无相关性的噪声，最终输出稳定的直流信号，其幅值与输入信号幅值及相位差余弦成正比。

为克服单相LIA需手动调节相位且精度不稳的缺陷，双相（正交）LIA采用两路相位差90°的参考信号，分别进行解调，得到相互正交的输出X和Y。通过计算这两个输出的合成值和角度，可同时获得信号的幅值和相位信息，实现全范围高精度测量，无需动态调整参考相位。

随着数字技术的发展，数字锁相放大器（DLIA）逐渐成为主流。它通过ADC对信号数字化，利用FPGA或DSP实现混频与滤波的全数字化处理，具有集成度高、配置灵活、性能稳定等优势。现代LIA不仅作为精密交流电压表和相位计，还可集成功能如阻抗分析、频谱测量等，是科研与工程中不可或缺的高灵敏度测量仪器。