Colpittsov oscilátor

Oscilátor je mechanická alebo elektronická konštrukcia, ktorá produkuje osciláciu v závislosti od niekoľkých premenných. Všetci máme zariadenia, ktoré potrebujú oscilátory, ako sú tradičné hodiny alebo náramkové hodinky. Rôzne typy detektorov kovov, počítače, v ktorých sú zapojené mikrokontroléry a mikroprocesory, používajú oscilátory, najmä elektronický oscilátor, ktorý produkuje periodické signály. V našich predchádzajúcich tutoriáloch sme diskutovali o niekoľkých oscilátoroch:

• Oscilátor RC fázového posuvu
• Wein Bridge Oscilátor
• Oscilátor z kremenného kryštálu
• Obvod fázového posunu oscilátora
• Napäťovo riadený oscilátor (VCO)

Colpittsův oscilátor bol vynájdený americkým inžinierom Edwin H. Colpitts v roku 1918. colpittsův oscilátor pracuje s kombináciou tlmiviek a kondenzátorov tvoria LC filter. Rovnako ako iné oscilátory, oscilátor Colpitts sa skladá zo zosilňovacieho zariadenia a výstup je spojený so spätnoväzbovou slučkou LC obvodu. Colpittsov oscilátor je lineárny oscilátor, ktorý vytvára sínusový priebeh.

Tankový okruh

Hlavné oscilačné zariadenie v oscilátore Colpitts je vytvorené pomocou obvodu nádrže. Okruh nádrž sa skladá z troch komponentov a na cievky a dvoch kondenzátorov. Dva kondenzátory sú zapojené do série a tieto kondenzátory sú ďalej zapojené paralelne s induktorom.

Na vyššie uvedenom obrázku sú zobrazené tri komponenty okruhu nádrže so správnym pripojením. Proces začína nabitím dvoch kondenzátorov C1 a C2. Potom vo vnútri obvodu nádrže sa tieto dva sériové kondenzátory vybijú do paralelného tlmivky L1 a akumulovaná energia v kondenzátore sa prevedie do tlmivky. Kvôli paralelne pripojenému kondenzátoru sa induktor vybíjaný dvoma kondenzátormi a kondenzátory začnú znova nabíjať. Tieto nabíjania a vybíjania v oboch komponentoch pokračujú a poskytujú tak cez ne oscilačný signál.

Oscilácia veľmi závisí od kondenzátorov a hodnoty induktora. Nižšie uvedený vzorec je na určenie frekvencie oscilácií:

F = 1 / 2π√LC

kde F je frekvencia a L je induktor, C je celková ekvivalentná kapacita.

Ekvivalentnú kapacitu týchto dvoch kondenzátorov je možné určiť pomocou

C = (C1 x C2) / (C1 + C2)

Počas tejto fázy kmitania v okruhu nádrže dochádza k určitým stratám energie. Na kompenzáciu tejto stratenej energie a na udržanie oscilácie vo vnútri okruhu nádrže je potrebné zosilňovacie zariadenie. Existuje veľa rôznych typov zosilňovacích zariadení, ktoré sa používajú na kompenzáciu straty energie vo vnútri obvodu nádrže. Najbežnejším zosilňovačom sú tranzistory a operačné zosilňovače.

Tranzistorový oscilátor Colpitts

Na vyššie uvedenom obrázku je znázornený Colpittsov oscilátor založený na tranzistoroch, kde hlavným zosilňovacím zariadením oscilátora je NPN tranzistor T1.

V obvode je pre základné napätie potrebný odpor R1 a R2. Tieto dva odpory sa používajú na výrobu deliča napätia cez základňu tranzistora T1. Rezistor R3 sa používa ako emitorový rezistor. Tento odpor je veľmi užitočný na stabilizáciu zosilňovacieho zariadenia počas tepelného driftu. Kondenzátor C3 je použitý ako emitor bypass kondenzátor, ktorý je spojený paralelne s odporom R3. Ak odstránime tento kondenzátor C3, zosilnený striedavý signál sa vyhodí cez rezistor R3 a bude mať za následok zlý zisk. Takže kondenzátor C3 poskytuje ľahkú cestu pre zosilnený signál. Spätná väzba z obvodu nádrže je ďalej pripojená pomocou C4 k základni tranzistora T1.

Oscilácia tranzistorového obvodu oscilátora Colpitts závisí od fázového posuvu. Toto je dobre známe ako barkhausenské kritérium pre oscilátor. Podľa Barkhausenovho kritéria by mal byť zisk slučky o niečo väčší ako jednota a fázový posun okolo slučky musí byť 360 stupňov alebo 0 stupňov. Takže v tomto prípade, aby sa zabezpečila oscilácia na výstupe, potrebuje celkový obvod 0 stupňov alebo 360-stupňový fázový posun. Konfigurácia tranzistora ako spoločného vysielača poskytuje 180-stupňový fázový posun, zatiaľ čo obvod nádrže tiež prispieva ďalším 180-stupňovým fázovým posunom. Kombináciou tohto dvojfázového posuvu celkový obvod dosahuje 360-stupňový fázový posun, ktorý je zodpovedný za osciláciu.

Spätnú väzbu je možné ovládať pomocou dvoch kondenzátorov C1 a C2. Tieto dva kondenzátory sú zapojené do série a križovatka je ďalej spojená s napájacou zemou. Napätie na C1 je oveľa väčšie ako napätie na C2. Zmenou týchto dvoch hodnôt kondenzátora môžeme riadiť spätnoväzbové napätie, ktoré sa ďalej dodáva späť do obvodu nádrže. Stanovenie spätnoväzbového napätia je rozhodujúcou súčasťou obvodov, pretože nízke množstvo spätnoväzbového napätia by neaktivovalo osciláciu, zatiaľ čo vysoké množstvo spätnoväzbového napätia by skončilo zničením výstupnej sínusovej vlny a vyvolalo skreslenie.

Colpittsov oscilátor je možné vyladiť zmenou hodnoty indukčnosti a kapacity. Existujú dva spôsoby, ako dosiahnuť, aby oscilátor Colpitts pracoval v konfigurácii s variabilným ladením.

Prvým spôsobom je zmena induktora ako variabilného induktora a druhým spôsobom je zmena kondenzátorov ako variabilného kondenzátora. V druhej možnosti, pretože spätnoväzbové napätie je veľmi závislé od pomeru C1 a C2, je vhodné použiť jednoduchý gang. Takže keď dôjde k zmene jedného kondenzátora, druhý kondenzátor v súlade s ním tiež zmení svoju kapacitu.

Oscilátor Colpitts založený na operačných zosilňovačoch

Na obrázku vyššie je zobrazený obvod oscilátora Colpitts založený na operačných zosilňovačoch. Operačný zosilňovač je v režime inverznej konfigurácie. Rezistory R1 a R2 sa používajú kvôli poskytovaniu potrebnej spätnej väzby operačnému zosilňovaču. Obvod nádrže je spojený s jediným induktorom paralelne s dvoma sériovými kondenzátormi. Vstup operačného zosilňovača je pripojený k spätnej väzbe obvodu nádrže.

Fungovanie je rovnaké, ako je opísané vo vyššie uvedenom tranzistorovom obvode Colpittsovho oscilátora. Počas spustenia operačný zosilňovač zosilňuje šumový signál, ktorý je zodpovedný za nabitie dvoch kondenzátorov. Zisk Op-amp na báze colpittsův oscilátor je vyššia ako Transistor báze colpittsův oscilátor.

Rozdiel medzi Colpitts Oscillator a Hartley Oscillator

Oscilátor Colpitts je veľmi podobný oscilátoru Hartley, ale medzi týmito dvoma je rozdiel v konštrukcii. Aj keď tieto dva obvody oscilátora pozostávajú z troch komponentov ako obvod nádrže, oscilátor Colpitts používa jeden induktor paralelne s dvoma kondenzátormi v sérii, zatiaľ čo Hartleyov oscilátor používa pravý opak, jeden kondenzátor paralelne s dvoma induktormi v sérii. Oscilátor Colpitts je vo vysokofrekvenčnej prevádzke stabilnejší ako oscilátor Hartley.

Oscilátor Colpitts je vynikajúcou voľbou vo vysokofrekvenčnej prevádzke. Môže produkovať výstupnú frekvenciu v rozmedzí Megahertzov aj v rozsahu Kilohertzov.

Aplikácia obvodu oscilátora Colpitts

1. Kvôli problémom s plynulou variáciou induktora a kondenzátora sa oscilátor Colpitts používa hlavne na generovanie pevnej frekvencie.

2. Oscilátor Colpitts sa používa hlavne v mobilných alebo iných rádiofrekvenčných riadených komunikačných zariadeniach.

3. Pri vysokofrekvenčných osciláciách je oscilátor Colpitts vynikajúcou voľbou. Preto vysokofrekvenčné zariadenia založené na oscilátoroch používajú oscilátor Colpitts.

4. V niekoľkých aplikáciách, kde je okrem tepelnej stability potrebné aj nepretržité a netlmené kmitanie, sa používa oscilátor Colpitts.

5. Pre aplikácie, ktoré potrebujú široký rozsah frekvencií s minimálnym indukovaným šumom.

6. Mnoho typov senzorov založených na SAW používa oscilátor Colpitts

7. Oscilátor Colpitts používajú rôzne typy detektorov kovov.

8. Vysokofrekvenčný vysielač súvisiaci s frekvenčnou moduláciou používa oscilátor Colpitts.

9. Má obrovské uplatnenie vo výrobkoch vojenskej a komerčnej kvality.

10. V mikrovlnných aplikáciách sa vyžaduje chaotické obvody súvisiace so maskovaním signálu Colpittsov oscilátor v rôznych frekvenčných pásmach.