/ А до.
KFKI
11 /1969
L O C K -IN AMPLIFIER FOR NM R SIGNAL DETECTION
F. Tóth an d K. Tompa
HUNGARIAN ACADEMY O F SCIENCES CENTRAL RESEARCH INSTITUTE FO R PHYSICS
BUDAP EST
LOCK-IN AMPLIFIER FOR NMR SIGNAL DETECTION
F . T ó t h , К . Tompa
C e n t r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r P h y s i c s , B u d a p e s t, H u n g a ry
A b s t r a c t
A l o c k - i n a m p l i f i e r w ith 1 0 0 Kohm an d 1 0 0 ohm i n p u t i n p e d a n c e s , b u i l t f o r t h e d e t e c t i o n o f s i g n a l s i n t h e p r e s e n c e o f h i g h b a c k g r o u n d n o i s e , i s d e s c r i b e d . The minimum d e t e c t a b l e s i g n a l i s o f o r d e r 1 nV f o r 10- ^^W, g e n e r a t i n g 100 ohm i n p u t in p e d a n c e w i t h an o b s e r v a t i o n t i m e o f l e s s t h a n 1 m in . The o p e r a t i n g f r e q u e n c y c a n b e v a r i e d p e r s t a g e . The p h a s e a n g l e o f t h e s i g n a l r e l a t i v e t o t h e r e f e r e n c e c a n b e c h a n g e d f r o m a l i n e a r a n g u l a r s c a l e t o b e t t e r t h a n + 2 % a c c u r a c y .
I n t r o d u c t i o n
L o c k - i n a m p l i f i e r t e c h n i q u e s a l lo w s m a l l c h a n g e s i n a m p litu d e t o t h e m e a s u re d a c c u r a t e l y , e v e n f o r w eak s i g n a l s i n t h e p r e s e n c e o f h i g h » b a c k g r o u n d n o i s e (D ic k e 1 9 ^ 7 , Andrew 1 9 5 8 , M oore 1 9 6 2 ) . The s i g n a l t o h e d e t e c t e d c a n b e s e p a r a t e d fro m th e n o i s e by a f i ’e q u e n c y d e m o d u la tio n t h a t i s s y n c h r o n o u s w i t h t h e p e r i o d o f t h e a m p l i f i e d s i g n a l a n d a n RC f i l t e r w i t h a tim e c o n s t a n t s m a ll a s c o m p a re d w ith t h e c h a n g e i n a m p l i t u d e , b u t l a r g e r e l a t i v e t o t h e m o d u l a ti o n p e r i o d . Such a m p l i f i e r s y s t e m s h a v e b e e n d e v e lo p e d an d a l r e a d y u s e d f o r a v a r i e t y o f p u r p o s e s . The r e l a t i v e l y s im p le l o c k - i n a m p l i f i e r now d e s c r i b e d h a s b e e n i n u s e a l r e a d y f o r some y e a r s i n t h e d e t e c t i o n o f n u c l e a r m a g n e tic r e s o n a n c e /NMR/ s i g n a l s (Tompa and T ó th 1 9 6 3 ) .
_ r> _
The l o c k - i n a m p l i f i e r c i r c u i t
The b lo c k d ia g r a m and c i r c u i t d ia g r a m o f th e a m p l i f i e r s y s te m a r e shown i n F ig s 1 a n d 2 . The a m p l i f i e r h a s tw o s e l e c t i v e s t a g e s tu n e d e s s e n t i a l l y t o t h e sam e f r e q u e n c y . T h is p r e v e n t s t h e o v e r d r i v i n g o r s a t u r a t i o n o f t h e l a s t s t a g e s b y a n y s p u r i o u s s i g n a l fro m t h e m a in s , o r by an y n o i s p , ev en a t maximum g a i n . M o re o v e r, t h e o u t p u t o f th e p h a s e d e t e c t o r i s n o t s e n s i t i v e t o any o f t h e h a r m o n ic s o f t h e c a r r i e r f r e q u e n c y
( W illia m s 1 9 6 2 .) The maximum g a i n o f th e v o l t a g e a m p l i f i e r i s 1 0 ^ w h ic h c a n b e d e c r e a s e d by t h e a t t e n u a t o r i n s t e p s o f 10 dB . The o p e r a t i n g f r e q u e n c i e s a r e 35* 7 0 , 140 an d 280 Hz; 1 , 4 a n d 2 ,8 k H z . The a m p l i f i e r f r e q u e n c y i s d e t e r m in e d b y t h e LC f i l t e r i n s e r i e s w i t h t h e n e g a t i v e f e e d - - b a c k c i r c u i t o f th e tw o s t a g e a m p l i f i e r s . The LC f i l t e r c i r c u i t i s r e l a t i v e l y e a s y to b u i l d i n s p i t e o f th e v e r y low o p e r a t i n g f r e q u e n c i e s . The s e r i e s tu n e d c i r c u i t h a s t h e a d v a n ta g e t h a t t h e i n c r e a s e i n e i t h e r L o r C i n v o l v e s h a r d l y a n y c h a n g e i n t h e g a i n a n d t h u s t h e sam e i n d u c t o r c a n b e u s e d w i t h d i f f e r e n t c a p a c i t o r s f o r t h e t u n i n g . The tw o s u c c e s s i v e , s e l e c t i v e s t a g e s a r e tim e d to s l i g h t l y d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s . T h is l e a d s t o a sm o o th r e s p o n s e i n a n a r r o w b a n d a r o u n d t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y a n d t o a s h a r p d r o p i n t h e c h a r a c t e r i s t i c p a s t t h e o p e r a t i n g f r e q u e n c i e s . The r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c a t 280 Hz w h ic h c a n b e s e e n i n F i g . 3* show s t h e s e l e c t i v i t y o f t h i s a m p l i f i e r s y s te m . At e a c h f r e q u e n c y t h e b a n d - w id th i s 10 % o f t h e f r e q u e n c y b a n d a r o u n d t h e c e n t e r f r e q u e n c y .
The r e f e r e n c e c h a n n e l i n c l u d e s a t h r e e - s t a g e p h a s e s h i f t c i r c u i t . I n t h e f i r s t s t a g e t h e p h a s e i s s h i f t e d b y a c o n s t a n t a n g u l a r v a l u e w h ile t h e s e c o n d and t h i r d s t a g e a r e v a r i a b l e p h a s e s h i f t e r s . The p h a s e s h i f t t o b e o b t a i n e d p e r s t a g e was c h o s e n t o b e 1 0 0 ° . A ssu m in g a 1 :1 0 v a r i a t i o n o f th e r e s i s t a n c e , t h i s c a n b e a c h i e v e d o n l y i f th e i n i t i a l p h a s e s h i f t s a r e r e l a t i v e l y h i g h / 6 0 ° / . T h e se i n i t i a l p h a s e s h i f t s p r o d u c e d b y b o t h v a r i a b l e p h a s e s h i f t e r s a r e c o m p e n s a te d b y t h e c o n s t a n t p h a s e s h i f t s t a g e
•so t h a t t h e p h a s e o f t h e r e f e r e n c e s i g n a l c a n b e a d j u s t e d b y a u n i a x i a l d o u b le p o t e n t i o m e t e r i n th e r a n g e fro m - 1 0 ° t o +1 9 0° a t any f r e q u e n c y . I n v ie w o f t h e a c c u r a t e r e q u i r e m e n t o f t h e p h a s e a n g l e , p o t e n t i o m e t e r s o f n o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c a r e u s e d . The s l o p e o f th e c h a r a c t e r i s t i c v a r i e s w i t h t h e i n v e r s e o f t h e . a n g u l a r p h a s e r e s p o n s e . The r e l a t i v e p h a s e a n g le
t h u s o b t a i n e d f o r t h e l i n e a r a n g u l a r s c a l e c a n b e r e a d t o + 2 ° a c c u r a c y . The c i r c u i t d ia g ra m o f t h e f u l l y t r a n s i s t o r i z e d v e r s i o n o f th e
Г
s y s te m w i t h maximum g a i n o f o r d e r 10 i s show n i n F i g . 4 . The m a in p a r a m e te r s a r e t h e same a s i n t h e e a r l i e r c i r c u i t .
P e r f o r m a n c e
The minimum d e t e c t a b l e s i g n a l i s l i m i t e d o n ly b y t h e s y s t e m a t i c a l n o i s e f i g u r e o f th e a m p l i f i e r . The v a r i a t i o n o f th e n o i s e l e v e l w i t h t h e tim e c o n s t a n t o f t h e RC f i l t e r i s shown i n F i g . 5 - b i n e A shows t h e n o i s e l e v e l m e a s u re d w ith 1 0 0 kOhm im p e d a n c e open i n p u t , l i n e В t h a t f o r s h o r t c i r c u i t e d i n p u t . L in e C was m e a s u re d by t u r n i n g on and o f f an a . c . s i g n a l g e n e r a t o r d e l i v e r i n g s i g n a l s o f 0 ,6 0 y u V a m p l i t u d e . I t i s a p p a r e n t t h a t th e s i g n a l t o n o i s e r a t i o im p r o v e s w ith n a r r o w e r b a n d - w id th t h a t , i n t u r n , c a u s e s t h e r e s p o n s e tim e t o i n c r e a s e . At th e s y s t e m a t i c a l n o i s e l e v e l t h e minimum i n p u t f o r s i g n a l d e t e c t i o n / u n i t y s i g n a l t o n o i s e r a t i o / i s e s t i m a t e d t o b e 10 —20 W f o r t h e r a t e d maximum r e s p o n s e tim e ЛГ 15 s e c / an d 100 Kohm i n p u t im p e d a n c e .
F o r low ohm s o u r c e s t h e m e a s u r a b le s i g n a l a m p lit u d e c a n b e m in im iz e d b y t r a n s f o r m e r c o u p le d i n p u t . F i g . 6 shows t h e v a r i a t i o n o f th e s i g n a l t o n o i s e r a t i o m e a su re d u s i n g a s e c o n d a r y t u n e d i n p u t t r a n s f o r m e r w i t h a t u r n s r a t i o 1 :1 0 0 an d s w i t c h i n g on a n d o f f a s i g n a l g e n e r á t o r 1 d e l i v e r i n g s i g n a l s o f 0 , 0 1 yuV a m p litu d e w i t h a 100 ohm i n p u t im p e d a n c e an d a f i l t e r r e s p o n s e ti m e o f 15 s e c . The minimum i n p u t po w er f o r s i g n a l d e t e c t i o n i s a b o u t t h e same a s w i t h o u t t r a n s f o r m e r b u t t h e minimum d e t e c t a b l e s i g n a l a m p l i t u d e i s o f o r d e r 1 0~ 9 V. The l i n e a r i t y o f t h e g a i n i n a m p litu d e i s b e t t e r t h a n 0 , 2 % a t any p h a s e a n g l e .
A cknow led gm ent s
A u th o r s a r e i n d e b t e d t o M r.K . K o v á c s an d M r. J . P r e t z f o r t h e i r a s s i s t a n c e i n th e b u i l d i n g an d c a l i b r a t i o n o f t h e a m p l i f i e r .
F i g u r e ' C a p t i o n s
F i g . 1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f l o c k - i n a m p l i f i é r s y s t e m F i g . 2 The l o c k - i n a m p l i f i e r c i r c u i t
F i g . 3 R e s p o n s e o f s e l e c t i v e a m p l i f i e r a t 2 8 0 /H z f r e q u e n c y
F i g . 4- The t r a n s i s t o r i z e d s e l e c t i v e a m p l i f i e r c i r c u i t
F i g . 5 O u t p u t s i g n a l an d n o i s e o f t h e l o c k - i n a m p l i f i e r f o r 100 Kohm i n p u t im p e d a n c e a s a f u n c t i o n o f f i l t e r r e s p o n s e t i m e . А / o p e n i n p u t , В / s h o r t c i r c u i t e d i n p u t , С / a l t e r n a t i v e l y w i t h an d w i t h o u t 0 ,6 0 ^ u V i n p u t s i g n a l
F i g . 6 S i g n a l t o n o i s e r a t i o o f t h e ] o c k - i n a m p l i f i e r f o r t r a n s f o r m a t o r c o u p l e d i n p u t . G e n e r a t e d im p e d a n c e 1 00 ohm, i n p u t s i g n a l 0 , 0 1 /UV, f i l t e r r e s p o n s e t i m e 15 s e c
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E283CC Е гвзсс
Е233СС E2S3CC Е283СС Е81СС EőfCC
8
Fig. 3
? i g . 4
TIME CONSTANT [SECS |
P i g . 5
í
P i g . 6 .
f a b
с
«
P r i n t e d i n t h e C e n t r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r P h y s i c s , B u d a p e s t , H u n g a ry K i a d j a a K ö z p o n ti F i z i k a i K u ta tó I n t é z e t , K ö n y v tá r - é s K ia d ó i O s z t á l y a
O . v . : d r . F a r k a s I s t v á n n á
S zak m ai l e k t o r : T a r n ó c z i T i v a d a r N y e lv i l e k t o r : K o v á c s J e n ő n é P é ld á n y s z á m : 150 M unkaszám : 4A23 B u d a p e s t, 19&9* á p r i l i s 15 K é s z ü l t a KFKI h á z i s o k s z o r o s í t ó j ó b a n . F . v . : G y enes Im re
