引言

在科學(xué)與工程領(lǐng)域，我們常常需要面對(duì)一個(gè)共同的挑戰(zhàn)：如何從遠(yuǎn)超信號(hào)本身的強(qiáng)大噪聲背景中，精準(zhǔn)地捕獲并解析出那些極其微弱的有效信號(hào)？無(wú)論是探索材料的神秘量子特性，還是檢測(cè)半導(dǎo)體芯片中納米級(jí)別的缺陷，都離不開(kāi)一種精密的測(cè)量?jī)x器——鎖相放大器。它如同一位擁有超凡聽(tīng)力的“獵手”，能夠在嘈雜的噪聲環(huán)境中，鎖定并放大我們關(guān)心的特定頻率信號(hào)。本文將深入淺出地解析鎖相放大器的工作原理、技術(shù)發(fā)展，并重點(diǎn)探討其如何以創(chuàng)新的形態(tài)，賦能現(xiàn)代半導(dǎo)體測(cè)試這一尖端領(lǐng)域。

一、 鎖相放大器：基本原理與技術(shù)演進(jìn)

鎖相放大器的核心使命是實(shí)現(xiàn)極高的信噪比提升，其基石在于“相敏檢測(cè)”技術(shù)。

1. 工作原理詳解

鎖相放大器的工作原理，可以簡(jiǎn)化為一個(gè)精準(zhǔn)的“信號(hào)關(guān)聯(lián)”過(guò)程。它需要一個(gè)與被測(cè)信號(hào)頻率一致的參考信號(hào)。儀器內(nèi)部，輸入信號(hào)（常淹沒(méi)于噪聲中）與這個(gè)純凈的參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算（混頻）。結(jié)果會(huì)產(chǎn)生和頻與差頻分量。隨后，一個(gè)低通濾波器會(huì)濾除所有高頻成分（包括和頻及大部分不相關(guān)的噪聲），只保留與兩信號(hào)相位差相關(guān)的直流或低頻分量。這個(gè)最終輸出的直流電壓，正比于輸入信號(hào)的幅度，從而實(shí)現(xiàn)了微弱信號(hào)的提取與測(cè)量。

通過(guò)數(shù)學(xué)上的正交分解（生成實(shí)部X與虛部Y分量），鎖相放大器不僅能測(cè)量信號(hào)的幅度（R），還能精確獲取其相位（θ）信息，為我們提供了完整的矢量信息。

2. 數(shù)字技術(shù)成為主流

鎖相放大器主要分為模擬與數(shù)字兩大類(lèi)型。模擬鎖相放大器由模擬電路構(gòu)建核心部件，在極高頻率下表現(xiàn)出色且動(dòng)態(tài)范圍大。而現(xiàn)代主流的數(shù)字鎖相放大器，則通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將信號(hào)數(shù)字化，后續(xù)所有處理均在FPGA或DSP中完成，帶來(lái)了無(wú)溫漂、高穩(wěn)定性、可并行多諧波測(cè)量以及高度功能集成等革命性優(yōu)勢(shì)。目前，蘇黎世儀器、斯坦福研究系統(tǒng)等品牌是高端數(shù)字鎖相領(lǐng)域的佼佼者。

3. 多頻測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)

傳統(tǒng)鎖相放大器通常專(zhuān)注于單一頻率（基波）。然而，現(xiàn)代技術(shù)已突破這一限制。例如，澳大利亞Liquid Instruments公司的Moku系列等產(chǎn)品，可以在一臺(tái)設(shè)備上配置多達(dá)8個(gè)獨(dú)立的鎖相放大器單元，實(shí)現(xiàn)真正意義上的多頻率信號(hào)同步測(cè)量，極大提升了復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的效率。

二、 創(chuàng)新應(yīng)用：Liquid Instruments的Moku:Delta如何重塑半導(dǎo)體測(cè)試范式

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是數(shù)字化時(shí)代的核心基石，而半導(dǎo)體測(cè)試則承擔(dān)著確保每一顆芯片性能達(dá)標(biāo)與長(zhǎng)期可靠的“守門(mén)人”角色。隨著芯片制程不斷邁向納米乃至更深層次，測(cè)試過(guò)程中所處理的信號(hào)愈發(fā)微弱，環(huán)境噪聲的影響也愈加顯著，這對(duì)測(cè)試設(shè)備在靈敏度、集成度與系統(tǒng)靈活性方面提出了前所未有的高標(biāo)準(zhǔn)。

在這一背景下，Liquid Instruments推出的Moku:Delta 軟件定義測(cè)量平臺(tái)，以其高度集成、多通道并行處理能力與極低的本底噪聲等特性，為半導(dǎo)體測(cè)試提供了全新的解決路徑。該平臺(tái)在中國(guó)市場(chǎng)由昊量光電提供本地技術(shù)支持與產(chǎn)品服務(wù)，助力用戶應(yīng)對(duì)復(fù)雜測(cè)試挑戰(zhàn)。

1. 應(yīng)對(duì)晶圓測(cè)試的極限挑戰(zhàn)

在晶圓平整度檢測(cè)中，原子力顯微鏡需要探測(cè)探針亞納米級(jí)的微弱動(dòng)態(tài)響應(yīng)。Moku:Delta 憑借其 <10 nV/√Hz的極低輸入本底噪聲，能夠有效提取這些被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)。同時(shí)，其高帶寬輸出和靈活的激勵(lì)信號(hào)配置能力，兼容多種材料與結(jié)構(gòu)的檢測(cè)需求，通過(guò)實(shí)時(shí)解調(diào)的I/Q信號(hào)，可精確計(jì)算相位變化與幅值分布，為面形偏差建模提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

2. 賦能VCO/PLL性能驗(yàn)證

測(cè)試壓控振蕩器與鎖相環(huán)時(shí)，設(shè)備需要具備優(yōu)異的相位噪聲性能和極高的檢測(cè)靈敏度。Moku:Delta 集頻譜分析儀、鎖相放大器、相位表等多種功能于一身，其輸入頻率范圍覆蓋DC至2 GHz，并內(nèi)置互相關(guān)算法以提升測(cè)量信噪比。它為工程師提供了一個(gè)一體化的高精度測(cè)試平臺(tái)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)搭建，確保了數(shù)據(jù)的一致性。

3. 破解混合信號(hào)IC測(cè)試復(fù)雜度

混合信號(hào)IC（如ADC/DAC）測(cè)試涉及模擬與數(shù)字域的復(fù)雜交互，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的靈活性與精度要求極高。Moku:Delta的多儀器并行模式 允許用戶在一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)儀器功能（如頻率響應(yīng)分析儀與波形發(fā)生器），通過(guò)內(nèi)部數(shù)字鏈路無(wú)縫協(xié)作，避免了傳統(tǒng)多臺(tái)設(shè)備連接帶來(lái)的信號(hào)失真和相位偏移問(wèn)題。這不僅大幅提升了測(cè)試效率，也通過(guò)高達(dá)8輸入/8輸出的通道能力，支持多個(gè)待測(cè)器件的并行測(cè)試。

Moku:Delta的突出價(jià)值在于其顛覆性的集成度：傳統(tǒng)測(cè)試可能需要多個(gè)機(jī)柜的專(zhuān)用設(shè)備（如示波器、頻譜分析儀、信號(hào)源等），而一臺(tái)Moku:Delta 通過(guò)軟件定義即可實(shí)現(xiàn)超過(guò)15種儀器的功能，在提供實(shí)驗(yàn)室級(jí)別精度的同時(shí)，極大地節(jié)省了空間、降低了系統(tǒng)復(fù)雜性與成本。

結(jié)語(yǔ)

從基礎(chǔ)科研中捕捉量子級(jí)別的微弱信號(hào)，到高端制造業(yè)中守護(hù)芯片的質(zhì)量與可靠，鎖相放大器始終扮演著不可或缺的角色。它的技術(shù)演進(jìn)，從模擬到數(shù)字，從單頻到多頻，正與日益精密的測(cè)量需求同步。而像Moku:Delta 這樣集成了鎖相放大器等眾多先進(jìn)測(cè)量功能的軟件定義儀器，代表著測(cè)試技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向——更智能、更靈活、更集成。它們正在降低高精度測(cè)量的門(mén)檻，為半導(dǎo)體、量子科技等前沿領(lǐng)域的研發(fā)與質(zhì)量控制，注入強(qiáng)大的創(chuàng)新動(dòng)力。對(duì)于國(guó)內(nèi)研究者而言，與昊量光電這樣的專(zhuān)業(yè)技術(shù)伙伴合作，無(wú)疑是緊跟國(guó)際前沿技術(shù)、優(yōu)化自身測(cè)量體系的重要橋梁。

審核編輯 黃宇