EO_448

30 / 102

ANALOG/MIXED SIGNAL LOCK-IN AMPLIFIER
30 - ELETTRONICA OGGI 448 - SETTEMBRE 2015
Misure di precisione con
gli amplificatori lock-in
L’amplificatore lock-in o “agganciato” serve per catturare
i segnali o talune loro componenti in frequenza quando
subiscono la sovrapposizione di forti rumori ed è perciò
uno strumento che risolve un’infinità di problemi non solo in
laboratorio ma anche sul campo, laddove le interferenze sem-
brano proibitive per qualsiasi strumento standard. In pratica,
sono progettati per estrarre da un segnale complesso solo ciò
che sta molto vicino a una ben precisa frequenza d’interesse,
escludendo tutto il resto inmodo da abbatterne l’energia e l’inter-
ferenza. Una volta isolata nel dominio della frequenza la frazione
che serve, lo strumento la filtra accuratamente per ripulirla da
ogni disturbo e poi la amplifica fornendo in uscita un segnale che
offre una nitidezza che talvolta appare persino straordinaria in
confronto alle condizioni in cui si trovava originariamente.
Per far ciò, il lock-in amplifier (LIA) necessita di un riferimento
che deve essere perfettamente sintonizzato in frequenza con la
componente del segnale, che si intende catturare e perciò, quan-
do è possibile, si prende direttamente dalla stessa sorgente che
ha generato il segnale o, in mancanza di essa, si ricostruisce con
un buon generatore di segnali che può anche essere un semplice
oscillatore controllato in tensione (VCO) ma è fondamentale che
sia a basso rumore. Gli amplificatori lock-in sono anche chiamati
Phase Sensitive Detector o rilevatori a sensibilità di fase proprio
perché ne viene bloccata la frequenza, in modo tale da aggan-
ciarsi con quella di interesse attorno alla quale avviene la misura
nel dominio della fase. In pratica, funzionano con due ingressi.
Da una parte entra il riferimento e dall’altra il segnale che passa
attraverso un filtro passa-basso la cui frequenza passante è sele-
zionata dal riferimento. Dopodiché c’è un moltiplicatore che fa il
prodotto fra i due e così viene volutamente aumentata l’energia
del segnale e anche del rumore in modo tale che poi si può far
passare il risultato attraverso un secondo filtro che fa riscendere
l’energia tagliando un’altra volta il rumore nell’intorno della fre-
quenza centrale e fornendo all’uscita il segnale allo stesso livello
che aveva all’ingresso ma drasticamente ripulito. Questa impo-
stazione è molto simile a ciò che in passato si definiva ricezione
omodina, anche se è un po’ modificata ma il concetto fondamen-
tale rimane inalterato. In pratica, con un amplificatore lock-in si
possono estrarre le componenti dei segnali con una risoluzione
in termini energetici di 105 ~ 106 e ciò significa che si possono
rivelare nitidamente componenti con energia di pochi nanoVolt
in mezzo a segnali con energia media di decine di milliVolt. È la
dinamica dello strumento, ossia la Dynamic Reserve espressa in
dB, che indica fino a quanto ci si può spingere nel catturare le
componenti di segnale rispetto al rumore di fondo e tipicamente
con 100 dB si possono rivelare i segnali fino a un milione di volte
più deboli rispetto all’energia media. Questa prerogativa rende
i lock-in indispensabili non solo per le ricerche scientifiche ma
anche per lo sviluppo industriale nella progettazione, nel collau-
do e nelle verifiche di qualità.
Lock-In con Clock-Stopping
attualmente ha già in distribuzione
alcuni amplificatori lock-in come i modelli SR510 e SR530 con
frequenza di cattura che va da 0,5 Hz a 100 kHz e 80 dB di dina-
mica, i modelli SR810, SR830 e SR850 DSP che lavorano da 1mHz
a 102,4 kHz con una dinamica di oltre 100 dB e il modello SR844
Lucio Pellizzari Gli amplificatori agganciati in frequenza
consentono di rilevare segnali debolissimi rispetto
al rumore di fondo e perciò sono indispensabili sia
nella ricerca e sviluppo sia nelle verifiche di qualità
Fig. 1 – Schema molto semplificato del funzionamento di un amplifi-
catore ad aggancio di frequenza con cui si riescono a osservare segnali
persino un milione di volte più deboli del rumore
Fig. 2 – L’Analog Lock-In Amplifier SR124 di SRS ha una banda di misura
che va da 0,2 Hz a 200 kHz, 100 dB di dinamica e una sensibilità in ten-
sione che va da 100 nV a 500 mV