突破2GHz：新一代Moku:Delta 超高頻鎖相放大器

一、引言

在量子計(jì)算、精密光譜學(xué)、納米顯微成像等前沿科研領(lǐng)域，鎖相放大器(Lock-in Amplifier)是從強(qiáng)噪聲背景中提取微弱周期性信號(hào)的重要工具。傳統(tǒng)的鎖相放大器往往面臨著帶寬受限、通道數(shù)不足、與其他儀器協(xié)同困難等問(wèn)題。傳統(tǒng)鎖相放大器的解調(diào)帶寬通常僅局限于幾MHz甚至幾百kHz——即便是市場(chǎng)上主流的型號(hào)，如 Zurich Instruments UHFLI（600 MHz）和 SRS SR844（200 MHz），距離微波頻段的直接解調(diào)仍有明顯差距。然而Liquid Instruments推出的第四代智能測(cè)控平臺(tái)Moku:Delta，以軟件定義儀器的理念，將鎖相放大器的性能提升到新的性能水平——2GHz解調(diào)帶寬、8通道并行、120dB動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，同時(shí)支持與Moku平臺(tái)上其他15種儀器進(jìn)行協(xié)同工作。

2GHz解調(diào)帶寬意味著什么？ 它意味著研究人員可以直接對(duì)射頻和微波頻段信號(hào)進(jìn)行鎖相檢測(cè)，無(wú)需外置變頻模塊，從而消除因頻率轉(zhuǎn)換引入的額外噪聲、相位誤差和系統(tǒng)復(fù)雜度。它意味著同一臺(tái)設(shè)備既可處理 mHz 級(jí)的極低頻生物信號(hào)，也能應(yīng)對(duì) GHz 級(jí)的量子比特讀出——跨越 12 個(gè)數(shù)量級(jí)的頻率覆蓋，在鎖相放大器是較為少見(jiàn)的。

二、硬件基礎(chǔ)——面向2GHz應(yīng)用設(shè)計(jì)

Moku:Delta 的 2 GHz 鎖相放大器并非簡(jiǎn)單的參數(shù)堆砌，而是建立在精心設(shè)計(jì)的底層硬件之上。作為較早實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 2 GHz 鎖相放大的軟件定義儀器，其硬件架構(gòu)為高頻解調(diào)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

Moku:Delta搭載了Xilinx UltraScale+RFSoC（第三代）FPGA芯片，采用8通道、2GHz、5GSa/s同步采樣率的模擬輸出，14位（高速）+20位（低速）的ADC智能架構(gòu)，32路雙向通道的數(shù)字I/O，<10nV/100HZ的輸入噪聲，1ppdOCXO時(shí)鐘穩(wěn)定度，及可調(diào)時(shí)鐘選項(xiàng)GPS馴服晶振或外部參考，50 Ω/1 MΩ的可切換輸入阻抗及AC/DC可選輸入耦合。

三、Moku的混合ADC技術(shù)

Moku:Delta的重要?jiǎng)?chuàng)新之一是頻率相關(guān)的ADC混頻技術(shù)（Frequency-Dependent ADC Blending），這是一種基于FPGA的新型處理技術(shù)，用于在頻譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量信號(hào)構(gòu)建。Moku：Delta的每條模擬輸入都經(jīng)過(guò)兩條轉(zhuǎn)換路徑：14位高速ADC和20位低速ADC，其中高速ADC覆蓋了2GHz全帶寬，提供了高采樣率，而低速ADC以5GSa/s的采樣率專攻低頻采樣。系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)頻率采用混合方案，實(shí)現(xiàn)整2GHz整個(gè)波段的<10nV/低噪聲底和高動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)現(xiàn)這一混合需要大的運(yùn)算能力（每秒幾百千億次），而剛好Moku搭載的FPGA芯片能夠滿足這樣的需求。可以說(shuō)，混合ADC技術(shù)是2GHz鎖相放大器得以從概念走向現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)——沒(méi)有它，2GHz 帶寬與 nV 級(jí)噪聲將無(wú)法兼得。這一技術(shù)從根本上解決了傳統(tǒng)單一ADC架構(gòu)中“帶寬"和“分辨率"的固有矛盾。

四、鎖相放大器基本原理

鎖相放大器通過(guò)將輸入信號(hào)與參考信號(hào)相乘并進(jìn)行低通濾波，保留混合信號(hào)的低頻部分，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的幅值和相位測(cè)量，其核心公式涉及同相(X)與正交(Y)分量及幅值R和相位θ的計(jì)算。

對(duì)于輸入信號(hào)

其中為信號(hào)幅值，為信號(hào)角頻率，為信號(hào)相位，n(t)為噪聲。我們給其一參考信號(hào)

將兩者進(jìn)行相乘，得到同相(X)分量：

和正交(Y)分量：

由此可利用X和Y分量可計(jì)算得到幅值R：

和相位θ：

雙相解調(diào)即輸入信號(hào)再同參考信號(hào)的90°相位偏移信號(hào)相乘。

上述原理對(duì)所有鎖相放大器通用，但重要差異在于解調(diào)頻率的上限。當(dāng)解調(diào)頻率從傳統(tǒng)鎖相放大器的 MHz 級(jí)提升至2GHz時(shí)，意味著可處理的信號(hào)頻率上限擴(kuò)展了 2-4個(gè)數(shù)量級(jí)——從音頻/超聲頻段直接跨越到射頻和微波頻段。這一躍遷使得鎖相放大器從"低頻精密測(cè)量工具"進(jìn)化為"全頻段信號(hào)分析平臺(tái)"。

五、鎖相放大器的核心參數(shù)

鎖相放大器的解調(diào)頻率達(dá)到1 mHz2 GHz，頻率分辨率達(dá)到1Hz，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)>120dB，解調(diào)模式雙向正交解調(diào)可選X/Y直角坐標(biāo)解調(diào)或R/θ極坐標(biāo)解調(diào)，相位精度達(dá)到0.000 001o（1微度），時(shí)間常數(shù)12.8 ns~0.215s，輸出增益范圍-80+160dB，本振輸出達(dá)到可達(dá)2GHz，幅度可調(diào)，可選內(nèi)部本振參考或外部參考，數(shù)據(jù)采集快照模式可達(dá)5GSa/s，連續(xù)模式達(dá)10MSa/s。

Moku：Delta的解調(diào)頻率覆蓋從1mHz~2GHz，跨越12個(gè)數(shù)量級(jí)，且具備Hz的頻率分辨率。這意味著Moku：Delta這臺(tái)儀器既可以處理極低頻的生物信號(hào)檢測(cè)，也可以應(yīng)對(duì)微波頻段的量子比特和高速光通信的測(cè)試需求。

下列是不同廠家鎖相放大器的部分參數(shù)對(duì)比

可以看出Moku:Delta的2GHz解調(diào)頻率在主流商用鎖相放大器中處于領(lǐng)xian地位——比 Zurich Instruments 旗艦 UHFLI 的 600 MHz 高出 3.3 倍，比 SRS 的高頻型號(hào) SR844 高出 10 倍。更關(guān)鍵的是，Moku:Delta 在提供zui高帶寬的同時(shí)，還是唯yi支持 8 通道并行2GHz解調(diào)的平臺(tái)，而且通過(guò)Moku平臺(tái)，鎖相放大器還可以直接在多儀器并行模式下與其他的儀器相連接，這意味鎖相放大器并不再是單一孤立的設(shè)備。

六、典型場(chǎng)景

量子傳感與控制

在 NV色心磁力計(jì)、超導(dǎo)量子比特讀出等量子實(shí)驗(yàn)中，需要從極低信噪比的信號(hào)中提取量子態(tài)信息。Moku:Delta 的 2 GHz 鎖相放大器配合 8 通道并行能力，可同時(shí)對(duì)多個(gè)量子比特進(jìn)行相干解調(diào)。內(nèi)置的時(shí)間與頻率分析儀（抖動(dòng) < 10 ps）還能實(shí)現(xiàn)單光子事件的精確時(shí)間戳記錄。

超快激光光譜

泵浦-探測(cè)（Pump-Probe）和受激拉曼散射（SRS）等超快光譜技術(shù)依賴高頻調(diào)制與解調(diào)。Moku:Delta 的 12.8 ns 較短時(shí)間常數(shù)和可達(dá) 2 GHz 解調(diào)頻率，可覆蓋主流飛秒激光系統(tǒng)的重復(fù)頻率和調(diào)制帶寬。

激光頻率穩(wěn)定

利用 Moku:Delta 鎖相放大器的諧波解調(diào)能力（可達(dá) 250 次諧波），結(jié)合內(nèi)置 PID 控制器和激光鎖頻器，可構(gòu)成完整的 PDH（Pound-Drever-Hall）穩(wěn)頻系統(tǒng)。多儀器并行模式更支持單臺(tái)設(shè)備同時(shí)穩(wěn)定多臺(tái)激光器。

掃描探針顯微與近場(chǎng)光學(xué)

在 AFM、SNOM 等掃描顯微技術(shù)中，鎖相放大器用于提取探針-樣品互作用的微弱調(diào)制信號(hào)。Moku:Delta 的 8 通道輸入允許同時(shí)采集多個(gè)探測(cè)通道信號(hào)，顯著提升成像通量。

半導(dǎo)體芯片測(cè)試

32 路數(shù)字 I/O 配合 8 通道模擬輸入/輸出，使 Moku:Delta 能夠進(jìn)行復(fù)雜的混合信號(hào)芯片表征。多儀器并行模式下，鎖相放大器可與邏輯分析儀、頻譜分析儀協(xié)同，一次連接完成全套測(cè)試。

星朗浩宇/昊量光電作為L(zhǎng)iquid Instruments在中國(guó)大陸地區(qū)主要代理商，為您提供專業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。

關(guān)于星朗浩宇/昊量光電：

星朗浩宇/昊量光電憑借本地化銷售網(wǎng)絡(luò)與專業(yè)技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期服務(wù)于國(guó)內(nèi)數(shù)以萬(wàn)計(jì)工業(yè)及科研客戶，涵蓋半導(dǎo)體、生物醫(yī)療、量子科技、精密制造、生物顯微、物聯(lián)傳感、材料加工、光通訊等前沿領(lǐng)域。

星朗浩宇/昊量光電擁有的專家級(jí)的軟硬件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)及豐富的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可提供：

? 全天候售后技術(shù)支持——快速響應(yīng)，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；

? 定制化解決方案——從售前咨詢到安裝，培訓(xùn)，系統(tǒng)集成等，滿足多樣化需求；

? 客戶高度認(rèn)可——服務(wù)案例覆蓋眾多頭部企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)，客戶滿意度持續(xù)居前列。