突破2GHz：新一代Moku:Delta 超高頻鎖相放大器

一、引言

在量子計算、精密光譜學、納米顯微成像等前沿科研領域，鎖相放大器(Lock-in Amplifier)是從強噪聲背景中提取微弱周期性信號的重要工具。傳統的鎖相放大器往往面臨著帶寬受限、通道數不足、與其他儀器協同困難等問題。傳統鎖相放大器的解調帶寬通常僅局限于幾MHz甚至幾百kHz——即便是市場上主流的型號，如 Zurich Instruments UHFLI（600 MHz）和 SRS SR844（200 MHz），距離微波頻段的直接解調仍有明顯差距。然而Liquid Instruments推出的第四代智能測控平臺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解調帶寬、8通道并行、120dB動態存儲，同時支持與Moku平臺上其他15種儀器進行協同工作。

2GHz解調帶寬意味著什么？ 它意味著研究人員可以直接對射頻和微波頻段信號進行鎖相檢測，無需外置變頻模塊，從而消除因頻率轉換引入的額外噪聲、相位誤差和系統復雜度。它意味著同一臺設備既可處理 mHz 級的極低頻生物信號，也能應對 GHz 級的量子比特讀出——跨越 12 個數量級的頻率覆蓋，在鎖相放大器是較為少見的。

二、硬件基礎——面向2GHz應用設計

Moku:Delta 的 2 GHz 鎖相放大器并非簡單的參數堆砌，而是建立在精心設計的底層硬件之上。作為較早實現實現 2 GHz 鎖相放大的軟件定義儀器，其硬件架構為高頻解調提供了堅實基礎。

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，32路雙向通道的數字I/O，<10nV/100HZ的輸入噪聲，1ppdOCXO時鐘穩定度，及可調時鐘選項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

Moku:Delta的重要創新之一是頻率相關的ADC混頻技術（Frequency-Dependent ADC Blending），這是一種基于FPGA的新型處理技術，用于在頻譜范圍內實現高質量信號構建。Moku：Delta的每條模擬輸入都經過兩條轉換路徑：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。系統根據信號頻率采用混合方案，實現整2GHz整個波段的<10nV/低噪聲底和高動態范圍。實現這一混合需要大的運算能力（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，混合ADC技術是2GHz鎖相放大器得以從概念走向現實的關鍵技術——沒有它，2GHz 帶寬與 nV 級噪聲將無法兼得。這一技術從根本上解決了傳統單一ADC架構中“帶寬"和“分辨率"的固有矛盾。

四、鎖相放大器基本原理

鎖相放大器通過將輸入信號與參考信號相乘并進行低通濾波，保留混合信號的低頻部分，實現微弱信號的幅值和相位測量，其核心公式涉及同相(X)與正交(Y)分量及幅值R和相位θ的計算。

對于輸入信號

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

將兩者進行相乘，得到同相(X)分量：

和正交(Y)分量：

由此可利用X和Y分量可計算得到幅值R：

和相位θ：

雙相解調即輸入信號再同參考信號的90°相位偏移信號相乘。

上述原理對所有鎖相放大器通用，但重要差異在于解調頻率的上限。當解調頻率從傳統鎖相放大器的 MHz 級提升至2GHz時，意味著可處理的信號頻率上限擴展了 2-4個數量級——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"低頻精密測量工具"進化為"全頻段信號分析平臺"。

五、鎖相放大器的核心參數

鎖相放大器的解調頻率達到1 mHz2 GHz，頻率分辨率達到1Hz，動態存儲>120dB，解調模式雙向正交解調可選X/Y直角坐標解調或R/θ極坐標解調，相位精度達到0.000 001o（1微度），時間常數12.8 ns~0.215s，輸出增益范圍-80+160dB，本振輸出達到可達2GHz，幅度可調，可選內部本振參考或外部參考，數據采集快照模式可達5GSa/s，連續模式達10MSa/s。

Moku：Delta的解調頻率覆蓋從1mHz~2GHz，跨越12個數量級，且具備Hz的頻率分辨率。這意味著Moku：Delta這臺儀器既可以處理極低頻的生物信號檢測，也可以應對微波頻段的量子比特和高速光通信的測試需求。

下列是不同廠家鎖相放大器的部分參數對比

可以看出Moku:Delta的2GHz解調頻率在主流商用鎖相放大器中處于領xian地位——比 Zurich Instruments 旗艦 UHFLI 的 600 MHz 高出 3.3 倍，比 SRS 的高頻型號 SR844 高出 10 倍。更關鍵的是，Moku:Delta 在提供zui高帶寬的同時，還是唯yi支持 8 通道并行2GHz解調的平臺，而且通過Moku平臺，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備。

六、典型場景

量子傳感與控制

在 NV色心磁力計、超導量子比特讀出等量子實驗中，需要從極低信噪比的信號中提取量子態信息。Moku:Delta 的 2 GHz 鎖相放大器配合 8 通道并行能力，可同時對多個量子比特進行相干解調。內置的時間與頻率分析儀（抖動 < 10 ps）還能實現單光子事件的精確時間戳記錄。

超快激光光譜

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

激光頻率穩定

利用 Moku:Delta 鎖相放大器的諧波解調能力（可達 250 次諧波），結合內置 PID 控制器和激光鎖頻器，可構成完整的 PDH（Pound-Drever-Hall）穩頻系統。多儀器并行模式更支持單臺設備同時穩定多臺激光器。

掃描探針顯微與近場光學

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

半導體芯片測試

32 路數字 I/O 配合 8 通道模擬輸入/輸出，使 Moku:Delta 能夠進行復雜的混合信號芯片表征。多儀器并行模式下，鎖相放大器可與邏輯分析儀、頻譜分析儀協同，一次連接完成全套測試。

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