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MFLI低噪聲鎖相放大器在霍爾效應測量的應用

2023-03-171360次

瑞士蘇黎世儀器 (Zurich Instruments) 的 MFLI 是一款數(shù)字鎖相放大器，為中頻和低頻范圍的測量設定了新標桿。MFLI 提供兩種版本，適用于“直流至 500 kHz”和“直流至 5 MHz”的頻率范圍（并可在有需要時從500kHz升級到5MHz）。

鎖相放大器，是一種可以從干擾極大的環(huán)境中對特定頻率的電學信號進行提取，還能進一步聚焦和鎖定特定相位上步調(diào)一致成分的電子學儀器，從而濾除噪聲，達到微弱信號檢測的目的。鎖相放大器的發(fā)明極大地推動了人類對于微弱信號的探測，比如搭配了鎖相放大器的原子力顯微鏡，讓人們可以觀測并且操縱原子；一些電子電工的儀表、對人體健康的監(jiān)測也能用到鎖相放大器，這樣我們就能更早的發(fā)現(xiàn)問題及時預防；在未來的跨星際探索中，高精度鎖相放大器也可用來開展引力波探測和空間定位。

MFLI數(shù)字鎖相放大器應用-霍爾效應測量

霍爾效應是指在垂直于移動載流子和外部磁場的方向上產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象。霍爾效應廣泛應用于材料表征和磁場感應。

材料表征

在材料表征應用中，材料暴露在已知的磁場 B 之中。同時，測量霍爾電壓 V_XY（見下圖）、通過樣本的電壓 V_XX 和通過材料的電流 I_R。根據(jù)這些測量值，我們可以推斷材料性質(zhì)，例如載流子密度、載流子極性、載流子遷移率和材料的導電性。

這項技術(shù)還可用于測量量子霍爾效應以及整數(shù)、分數(shù)、自旋、逆自旋等多種衍生效應，從而測量二維電子氣 (2DEG) 材料的新物理性質(zhì)。

磁場感應

當材料性質(zhì)已知時，霍爾效應可用于推斷多個數(shù)量級范圍內(nèi)的外部磁場強度。可以通過向樣本施加直流電壓來執(zhí)行測量，但是通常交流測量的速度更快、結(jié)果更準確。交流測量的其他優(yōu)點還包括精度和靈敏度更高，能夠在更大的測量范圍內(nèi)實現(xiàn)更高信噪比 (SNR)。

測量方案

如下方圖示，測量使用兩個鎖相放大器。鎖相放大器 2（圖中表示為 MFLI 2）提供恒定交流電壓以使樣本中產(chǎn)生電流。通常情況下，只需放置一個遠大于電路中所有其他電阻之和的限流電阻 RL，即可假定電流在測量過程中保持恒定。測量通過樣本的電流，即可實現(xiàn)更精準的測量。鎖相放大器 1（圖中表示為 MFLI 1）測量通過樣本的電壓 V_XX，同時鎖相放大器2測量霍爾電壓 V_XY。若使用蘇黎世儀器公司的 MFLI 鎖相放大器，還可以通過電流輸入和 MF-MD 多解調(diào)器選件來測量電流。

為確保測量期間的數(shù)據(jù)與磁場對齊，鎖相放大器需要同步頻率、時鐘和時間戳。 MFLI 的多設備同步 (MDS) 可以實現(xiàn)此功能。

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素材來源：https://www.zhinst.cn/

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