ロックインアンプは、入力信号に対して参照信号をかけ合わせます。 参照信号とは、入力信号と同じ周波数の信号になります。通常、参照信号は、入力信号と同じ発信源(光学測定の場合、光チョッパーから。抵抗測定の場合、電圧・電流印加する電源)から取ります。
例えば、ASin(ωt)の信号の振幅Aを検出する場合、Sin(ωt)の参照信号をかけ合わせます。 すると、
　　　　　 ASin(ωt)×Sin(ωt)= (A/2)[Cos(2ωt)+Cos(0)]
の信号が出力されます。この２次の高調波であるCos(2ωt)と直流信号Cos(0)の合わさった出力信号をローパスフィルタに通し、２次の高調波を除去することにより、直流信号(A/2)Cos(0)つまり、入力信号の振幅Ａを測定することがでます。

実際の信号では、様々な周波数の信号がノイズとして入ってきます。
例えば、10kHzの信号に、1Hzと1MHzのノイズが入っていた場合、参照信号を掛け合わせることにより、1MHzのノイズ情報は990kHz(1M-10k)と1010kHz(1M+10k)の信号として出力され、また、1Hzのノイズ情報は9.999kHz(10k-1)と10.001kHz(10k+1)の信号として出力されます。そして、10kHzの信号情報は、２次の高調波である20kHzの信号と振幅の大きさの直流信号として出力されます。ノイズ信号および10kHzの二次高調波(20kHz)はローパスフィルタによりカットさ、ローパスフィルタを通る信号は、直流信号となった10kHzの振幅の情報のみになります。
これにより、ノイズに埋もれて信号の中から、特定の周波数(f=ω/2π)の信号の振幅のみを 測定することが可能になります。

測定したい信号に位相差(α)がある場合、測定したい信号はASin(ωt+α)となります。 この信号をロックインアンプで検出すると、ACos(α)の値が検出されます。
　
この値だけでは、位相差を測定することはできません。そのため、参照信号の直行信号(Cos(ωt))を掛け合わせることにより、ASin(α)の信号が検出されます。
ACos(α)とASin(α)よりTan(α)を求めることにより位相差を測定します。
このように、ACos(α)とASin(α)の二つ信号を掛け合わせることが可能で、位相差の測定も行うことのできるロックインアンプを「2位相ロックインアンプ」と言います。