突破2GHz：新一代Moku:Delta 超高频锁相放大器

突破2GHz：新一代Moku:Delta 超高频锁相放大器

一、引言

在量子计算、精密光谱学、纳米显微成像等前沿科研领域，锁相放大器(Lock-in Amplifier)是从强噪声背景中提取微弱周期性信号的重要工具。传统的锁相放大器往往面临着带宽受限、通道数不足、与其他仪器协同困难等问题。传统锁相放大器的解调带宽通常仅局限于几MHz甚至几百kHz——即便是市场上主流的型号，如 Zurich Instruments UHFLI（600 MHz）和 SRS SR844（200 MHz），距离微波频段的直接解调仍有明显差距。然而Liquid Instruments推出的第四代智能测控平台Moku:Delta，以软件定义仪器的理念，将锁相放大器的性能提升到新的性能水平——2GHz解调带宽、8通道并行、120dB动态存储，同时支持与Moku平台上其他15种仪器进行协同工作。

2GHz解调带宽意味着什么？ 它意味着研究人员可以直接对射频和微波频段信号进行锁相检测，无需外置变频模块，从而消除因频率转换引入的额外噪声、相位误差和系统复杂度。它意味着同一台设备既可处理 mHz 级的极低频生物信号，也能应对 GHz 级的量子比特读出——跨越 12 个数量级的频率覆盖，在锁相放大器是较为少见的。

二、硬件基础——面向2GHz应用设计

Moku:Delta 的 2 GHz 锁相放大器并非简单的参数堆砌，而是建立在精心设计的底层硬件之上。作为较早实现实现 2 GHz 锁相放大的软件定义仪器，其硬件架构为高频解调提供了坚实基础。

Moku:Delta搭载了Xilinx UltraScale+RFSoC（第三代）FPGA芯片，采用8通道、2GHz、5GSa/s同步采样率的模拟输出，14位（高速）+20位（低速）的ADC智能架构，32路双向通道的数字I/O，<10nV/100HZ的输入噪声，1ppdOCXO时钟稳定度，及可调时钟选项GPS驯服晶振或外部参考，50 Ω/1 MΩ的可切换输入阻抗及AC/DC可选输入耦合。

三、Moku的混合ADC技术

Moku:Delta的重要创新之一是频率相关的ADC混频技术（Frequency-Dependent ADC Blending），这是一种基于FPGA的新型处理技术，用于在频谱范围内实现高质量信号构建。Moku：Delta的每条模拟输入都经过两条转换路径：14位高速ADC和20位低速ADC，其中高速ADC覆盖了2GHz全带宽，提供了高采样率，而低速ADC以5GSa/s的采样率专攻低频采样。系统根据信号频率采用混合方案，实现整2GHz整个波段的<10nV/低噪声底和高动态范围。实现这一混合需要大的运算能力（每秒几百千亿次），而刚好Moku搭载的FPGA芯片能够满足这样的需求。可以说，混合ADC技术是2GHz锁相放大器得以从概念走向现实的关键技术——没有它，2GHz 带宽与 nV 级噪声将无法兼得。这一技术从根本上解决了传统单一ADC架构中“带宽"和“分辨率"的固有矛盾。

四、锁相放大器基本原理

锁相放大器通过将输入信号与参考信号相乘并进行低通滤波，保留混合信号的低频部分，实现微弱信号的幅值和相位测量，其核心公式涉及同相(X)与正交(Y)分量及幅值R和相位θ的计算。

对于输入信号

其中为信号幅值，为信号角频率，为信号相位，n(t)为噪声。我们给其一参考信号

将两者进行相乘，得到同相(X)分量：

和正交(Y)分量：

由此可利用X和Y分量可计算得到幅值R：

和相位θ：

双相解调即输入信号再同参考信号的90°相位偏移信号相乘。

上述原理对所有锁相放大器通用，但重要差异在于解调频率的上限。当解调频率从传统锁相放大器的 MHz 级提升至2GHz时，意味着可处理的信号频率上限扩展了 2-4个数量级——从音频/超声频段直接跨越到射频和微波频段。这一跃迁使得锁相放大器从"低频精密测量工具"进化为"全频段信号分析平台"。

五、锁相放大器的核心参数

锁相放大器的解调频率达到1 mHz2 GHz，频率分辨率达到1Hz，动态存储>120dB，解调模式双向正交解调可选X/Y直角坐标解调或R/θ极坐标解调，相位精度达到0.000 001º（1微度），时间常数12.8 ns~0.215s，输出增益范围-80+160dB，本振输出达到可达2GHz，幅度可调，可选内部本振参考或外部参考，数据采集快照模式可达5GSa/s，连续模式达10MSa/s。

Moku：Delta的解调频率覆盖从1mHz~2GHz，跨越12个数量级，且具备Hz的频率分辨率。这意味着Moku：Delta这台仪器既可以处理极低频的生物信号检测，也可以应对微波频段的量子比特和高速光通信的测试需求。

下列是不同厂家锁相放大器的部分参数对比

可以看出Moku:Delta的2GHz解调频率在主流商用锁相放大器中处于领xian地位——比 Zurich Instruments 旗舰 UHFLI 的 600 MHz 高出 3.3 倍，比 SRS 的高频型号 SR844 高出 10 倍。更关键的是，Moku:Delta 在提供zui高带宽的同时，还是唯yi支持 8 通道并行2GHz解调的平台，而且通过Moku平台，锁相放大器还可以直接在多仪器并行模式下与其他的仪器相连接，这意味锁相放大器并不再是单一孤立的设备。

六、典型场景

量子传感与控制

在 NV色心磁力计、超导量子比特读出等量子实验中，需要从极低信噪比的信号中提取量子态信息。Moku:Delta 的 2 GHz 锁相放大器配合 8 通道并行能力，可同时对多个量子比特进行相干解调。内置的时间与频率分析仪（抖动 < 10 ps）还能实现单光子事件的精确时间戳记录。

超快激光光谱

泵浦-探测（Pump-Probe）和受激拉曼散射（SRS）等超快光谱技术依赖高频调制与解调。Moku:Delta 的 12.8 ns 较短时间常数和可达 2 GHz 解调频率，可覆盖主流飞秒激光系统的重复频率和调制带宽。

激光频率稳定

利用 Moku:Delta 锁相放大器的谐波解调能力（可达 250 次谐波），结合内置 PID 控制器和激光锁频器，可构成完整的 PDH（Pound-Drever-Hall）稳频系统。多仪器并行模式更支持单台设备同时稳定多台激光器。

扫描探针显微与近场光学

在 AFM、SNOM 等扫描显微技术中，锁相放大器用于提取探针-样品互作用的微弱调制信号。Moku:Delta 的 8 通道输入允许同时采集多个探测通道信号，显著提升成像通量。

半导体芯片测试

32 路数字 I/O 配合 8 通道模拟输入/输出，使 Moku:Delta 能够进行复杂的混合信号芯片表征。多仪器并行模式下，锁相放大器可与逻辑分析仪、频谱分析仪协同，一次连接完成全套测试。

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