一種基于開關(guān)電容技術(shù)的鎖定放大器設(shè)計(jì)

開關(guān)電容是用開關(guān)控制電容進(jìn)行充放電的電路，由模擬開關(guān)和電容構(gòu)成，基本電路如圖3所示。2個(gè)開關(guān)由方波信號(hào)控制，U1到U2之間的等效電阻Req為：

式中，T表示方波信號(hào)的周期，Ieq表示充電電流。開關(guān)電容電路相當(dāng)于T／C的電阻，既可以實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗，又可以組成精度和穩(wěn)定性都較高的濾波器，也便于集成。

2 設(shè)計(jì)方法
如圖4所示，把圖2中的電阻R1換成圖3中的開關(guān)電容，不僅可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)中乘法器的功能，而且電路本身具有一定的濾波性能。如果改變控制信號(hào)的周期和積分電容的大小，就可以改變信號(hào)輸出的幅值，且便于集成。由于采用積分環(huán)節(jié)，降低了噪聲對(duì)微弱信號(hào)的影響。此時(shí)式(4)變?yōu)?br />
由式(6)可知，輸出的電壓是直流信號(hào)。為了測(cè)量的準(zhǔn)確，利用同一方波信號(hào)控制開關(guān)電容和積分電容的充放電，即當(dāng)C1充電時(shí)，C2放電；反之，當(dāng)C2充電時(shí)，C1放電。這樣電路輸出周期性的方波信號(hào)，經(jīng)過BPF后為固定頻率的正弦信號(hào)，通過改變BPF級(jí)數(shù)和放大倍數(shù)可以改變整體電路的倍數(shù)，以便測(cè)量更小的微弱信號(hào)。最后信號(hào)通過PSD后輸出穩(wěn)定的直流信號(hào)，便于后續(xù)電路采集。R0可以看作是開關(guān)導(dǎo)通電阻，可以加反饋電阻。由式(6)可知，通過改變C1和方波頻率的大小，就可以改變電路的放大倍數(shù)，但是頻率可調(diào)會(huì)增加BPF設(shè)計(jì)的難度。為了提高鎖定放大器的性能，可以在BPF的通帶內(nèi)調(diào)節(jié)電容或者頻率。