高精度な電気計測の現場では、「ノイズに埋もれた微小信号をいかに正確に取り出すか」が重要な課題となります。この課題を解決する代表的な装置がロックインアンプです。本記事では、その基本原理から従来の課題、そして次世代計測器M81型による進化までを簡潔に解説します。

セミナー動画（約30分）はこちら

ロックインアンプとは、特定の周波数成分のみを選択的に抽出する計測装置です。測定対象の信号がノイズに埋もれている場合でも、参照信号を用いることで、目的とする周波数の信号だけを高精度に取り出すことができます。
その仕組みは主に2段階で構成されます。まず、測定信号と参照信号を乗算することで、同一周波数成分は直流（DC）成分と2倍波成分へと変換されます。一方、それ以外の周波数成分は変換後も交流成分で、直流成分には寄与しません。次にローパスフィルタを通すことで、直流成分のみを抽出し、それ以外の成分を抑制します。この結果、微小な信号でも高い精度で振幅を測定することが可能になります。
また、現在のロックインアンプは測定信号を参照信号に対して位相の直交する成分へ分解することで、振幅だけでなく位相差の測定にも対応しています。
参考記事：ロックインアンプとは　基本動作原理・解説

ロックインアンプの最大の特長は、高いノイズ耐性と優れた周波数選択性です。100dB以上のダイナミックレンジを持つ機種もあり、極めて微弱な信号でも安定して測定できます。また、特定周波数のみを選択的に測定できるため、精密な解析に適しています。
一方で、いくつかの課題も存在します。まず、基本的に交流成分のみを測定対象とするため、直流成分を同時に測るには別途計測器が必要です。また、ノイズ除去性能を高めるほど応答速度が遅くなるというトレードオフがあり、時間分解能に制約が生じます。さらに、電流測定には変換回路が必要な場合もあります。そのため測定系によっては複数機器を組み合わせる必要があり、システム構成が複雑となりやすいという課題があります。

こうした課題を解決する新しいアプローチとして登場したのが、ロックイン機能を搭載したソースメジャーユニットM81型です。本装置は、電圧源・電流源・電圧測定・電流測定・ロックイン測定を1台に集約したオールインワン設計を採用しています。
大きな特長は、DC測定とロックイン測定を同時に実行できる点です。従来は複数の機器を組み合わせる必要があった測定系も、M81型では単一システムで実現可能です。さらに、内部クロックによる完全同期機能により、複数モジュール間の同期調整が不要となり、配線や設定の簡素化にもつながります。

柔軟性と操作性の向上

M81型はモジュール構造を採用しており、用途に応じて構成を柔軟に変更可能です。また、測定モジュールをサンプル近傍に配置できるため、配線を短縮し外部ノイズの影響を低減することが可能です。 さらに、シームレスオートレンジ機能により、レンジ切り替え時の不連続や応答遅れを抑制し、連続的なデータ取得を実現しています。加えて、DCとACを独立して制御できる出力機能により、微小信号を重畳した高度な測定にも対応します。
参考記事：オートレンジによる ロックインアンプ測定

柔軟性と操作性の向上

実際の応用例として、超伝導転移の測定では、急激な抵抗変化を高精度かつ連続的に捉えることが可能です。また、微分コンダクタンス測定のような複雑な実験系でも、従来は複数機器が必要だった構成を大幅に簡略化できます。さらに、高調波測定など複数周波数を扱う実験にも柔軟に対応できる点は、研究開発用途において大きなメリットとなります。
参考記事1)：ロックインアンプ実測定例：超伝導転移/Cernox低温センサ 抵抗測定
参考記事2)：ロックインアンプ 微分コンダクタンス(微分抵抗) 測定

ロックインアンプは、微小信号測定において不可欠な技術ですが、従来はシステムの複雑さや運用の難しさが課題でした。M81型はこれらを統合・簡素化し、測定の自由度と効率を大きく向上させています。
高精度測定をよりシンプルに実現したい研究者・技術者にとって、M81型は次世代のスタンダードとなり得る計測ソリューションといえるでしょう。

本記事でご紹介した製品ラインアップ