锁相放大器取决于设备的动态储备，有可能甚至以高可靠性检测甚至具有噪声成分的至少百万分之一的信号。锁相放大器本质上是一个零差检测器  ，其后是一个低通滤波器，该滤波器通常可以通过截止频率和滤波器阶数进行调节。传统的锁相放大器使用模拟混频器和RC滤波器进行解调，但是最先进的仪器 通过FPGA  等高速数字信号处理实现了这两个步骤。通常，正弦和余弦解调是同时执行的，有时也称为双相解调。这允许提取同相和正交分量，将其转换为极坐标，即幅度和相位，或进一步处理为复杂的实部和虚部。

即使当信号较大，信噪比较高且不需要进一步改进时，该设备也经常用于相移测量。

锁相放大器的操作取决于正弦函数的正交性。具体来说，如果将频率为f ₁的正弦函数乘以另一个不等于f _1的频率为f _2的正弦波函数_，并在比这两个函数的周期长得多的时间内积分，则结果为零。的 可替代地，˚F ₁是˚F _2个等号，当两个功能是同相的，平均值等于振幅的乘积的一半。

本质上，锁相放大器接收输入信号，并将其与参考信号（由内部振荡器或外部源提供）相乘，并在规定的时间内积分（通常为毫秒至秒）。所得信号为DC信号，频率与参考信号频率不同的信号的贡献被衰减并接近零。与参考信号频率相同的信号的异相分量也会被衰减（因为正弦函数与相同频率的余弦函数正交）并锁定在相敏检测器中。

当今的大多数锁相放大器都基于高性能数字信号处理（DSP）。在过去的20年中，模拟模型已被整个频率范围内的数字锁定放大器所取代，从而使用户能够进行高达600 MHz的频率的测量。早期的数字锁定放大器的最初问题，例如输入连接器上存在数字时钟噪声，可以通过使用改进的电子设备和更好的设备设计来完全消除。当今的数字锁定放大器在所有相关性能参数（例如频率范围，输入噪声，稳定性和动态储备）方面都优于模拟模型。除了出色的性能，数字锁定放大器还包括多个解调器，使您可以同时分析不同滤波器设置或多个不同频率的信号。此外，可以使用其他工具（例如示波器，FFT频谱分析仪，棚车平均器）分析实验数据，或使用内部PID控制器提供实验反馈。某些型号的数字锁定放大器具有计算机控制的图形用户界面（可能是与平台无关的浏览器用户界面）和编程界面选项。

信号恢复利用以下事实：噪声通常会在比信号更大的频率范围内传播。在最简单的白噪声情况下，即使噪声的均方根是恢复信号的10 ³倍，仪器的带宽也要比信号频率附近的10 ⁶大得多。如果可以减少，则该设备对噪声的敏感性会降低。对于典型的100MHz带宽（例如，示波器），这是通过宽度远远小于100Hz的带通滤波器实现的。锁相放大器的平均时间决定了带宽，并在必要时允许小于1Hz的非常窄的滤波器。但是，这也具有对信号变化的响应慢​​的缺点。

总之，即使在时域中不能区分噪声和信号，如果信号具有清晰的频带并且在该频带中没有大的噪声峰值，则可以在频域中将噪声和信号充分分离。

如果信号变化缓慢或是恒定的直流信号（本质上是直流信号），则1 / f噪声通常会对信号产生重大影响。在这种情况下，必须使用外部装置来调制信号。例如，当在明亮的背景下检测到较小的光信号时，该信号将由斩波轮，声光调制器和光弹性调制器以足够大的频率进行调制和锁定，以使1 / f噪声大大衰减。使内置放大器参考调制器的工作频率。对于原子力显微镜，当达到纳米和皮微微分辨率时，悬臂位置将在高频下进行调制，并再次引用锁定放大器。