試想我們應該如何從雜亂無章的噪聲中提取我們所需的信號？最直觀的線性放大器能夠將很小的信號放大，卻同時也將噪聲放大。如果再加上一個針對信號頻率的濾波器濾除其他頻率的噪聲，看似可以解決不少問題，然而若是濾波器帶寬太大，信號頻率附近的噪聲還是會一起輸出，甚至掩蓋信號，想要實現極窄的濾波器帶寬又是另一個十分復雜的技術難題。

 

鎖相放大器應用了相敏檢測（phase-sensitive detection, PSD）的技術，可以測量非常微弱的連續周期性信號。相對于噪聲，連續周期性信號具有固定的頻率和相位，相敏檢測技術針對這個特性，利用具有同樣頻率的參考信號來抽取目標的周期性信號，便可以大大降低噪聲的影響。

 

在實際操作中，我們需要產生一個具有特定頻率ωr的參考信號作為載波（使用函數發生器或其他方法），并用此信號對目標信號進行調制，使目標信號具有相同的頻率。我們可以將調制過的信號表示為Vsig sin(ωrt+Θsig)，其中Vsig為信號強度、Θsig為相位。同時，鎖相放大器根據輸入的參考信號，產生一個內部本振信號Vloc sin(ωLt+Θloc)。將這兩個信號相乘，我們將得到兩個頻率分別為(ωr+ωL)和(ωr-ωL)的交流信號：

 

由于ωr=ωL，此信號經過低通濾波器后，我們會得到一個直流信號：

若要穩定獲得信號，Θsig和 Θloc之間的相位差必須始終保持一致，這需要由鎖相放大器中的鎖相環（phase-lock loop）來動態鎖定外部參考信號，確保內部信號的頻率與外部參考信號的頻率相同（即ωr=ωL），并維持固定的Θsig-Θloc相位差。