中古 エヌエフ回路設計ブロック NF ロックインアンプ 5610

ロックインアンプの特徴

ロックインアンプは、極めて大きなノイズに埋もれた微小な交流信号を選択的に抽出して増幅できる高精度な測定器です。最大の特長は、一般的なアンプでは測定不可能なSN比（信号対雑音比）が極めて低い環境下でも、目的の信号のみを正確に測定できる点にあります。ノイズの大きさが測定対象の信号の数千倍から数十万倍に達する場合であっても、特定の周波数成分だけをピンポイントで捉えることが可能です。

また、信号の振幅（大きさ）だけでなく、位相（基準信号に対する時間のズレ）を高精度に検出できる点も大きな特徴です。これにより、対象の応答速度や複素インピーダンスのような、位相情報が重要な物理量の計測において不可欠な存在となっています。周波数帯域も直流近くから数GHz帯まで広く対応したモデルが存在し、極低温環境や微小信号測定などの極限的な実験環境で広く用いられています。

ロックインアンプの仕組み

ロックインアンプの動作原理は、相関検出（位相感度検出：PSD）と呼ばれる技術に基づいています。この仕組みを理解するための鍵となるのが「参照信号（リファレンス信号）」の存在です。

まず、測定対象を駆動または変調するための基準となる周期信号（参照信号）を用意します。測定対象から戻ってきたノイズを含む入力信号と、この参照信号を積算（掛け合わせ）する処理を行います。

数学的には、周波数が異なる2つの正弦波を掛け合わせると、両者の和と差の周波数成分が生成されます。入力信号の中に参照信号と「全く同じ周波数」の成分が含まれている場合、その成分の差の周波数はゼロ、つまり直流（DC）成分へと変換されます。一方、参照信号と周波数が異なるノイズ成分は、掛け合わせによってすべて交流成分のまま残ります。

次に、この積算後の信号をローパスフィルター（LPF）に通します。ローパスフィルターは直流成分のみを通過させ、高周波の交流成分（ノイズ）を強力にカットします。この工程により、ノイズが大幅に削ぎ落とされ、参照信号と同調（ロックイン）した微小な信号の振幅と位相の情報だけが直流電圧として抽出されます。

ロックインアンプの用途

ロックインアンプは、微小な信号の変化を捉える必要がある多種多様な先端研究および産業分野で活用されています。

光学分野では、分光分析やエリプソメトリー（楕円偏光法）などで頻繁に使用されます。光源を光チョッパーなどで一定の周波数で点滅（変調）させ、その光を受けた検出器の信号をロックインアンプに入力することで、室内光や環境光などの背景ノイズの影響を排除した高精度な光計測が可能になります。

半導体や物性物理の分野では、ホール効果測定や微小な導電率変化、超伝導材料の評価に用いられます。試料に微小な交流電流を流し、発生する微小な電圧を測定することで、熱起電力や直流ドリフトノイズの影響を抑えた正確な物性データを取得できます。

走査型探針顕微鏡（AFMやSTM）などの表面分析装置でも重要な役割を果たしています。探針の振動や試料との相互作用を微小な周波数・位相変化として検出するため、原子レベルの分解能を持つ画像化処理にはロックインアンプによる高感度な検出が欠かせません。

さらに、生物物理学における蛍光寿命測定、非破壊検査での渦電流探傷、テラヘルツ波を用いた分光計測など、先端技術の根幹を支える計測機器として幅広く利用されています。