Oscylator Colpittsa

Oscylator to konstrukcja mechaniczna lub elektroniczna, która wytwarza oscylacje w zależności od kilku zmiennych. Wszyscy mamy urządzenia, które potrzebują oscylatorów, takich jak tradycyjny zegar lub zegarek na rękę. Różne typy wykrywaczy metali, komputery z mikrokontrolerem i mikroprocesorami wykorzystują oscylatory, zwłaszcza oscylatory elektroniczne, które wytwarzają sygnały okresowe. Omówiliśmy kilka oscylatorów w naszych poprzednich samouczkach:

• Oscylator przesunięcia fazowego RC
• Oscylator Wein Bridge
• Oscylator kwarcowy
• Obwód oscylatora przesunięcia fazy
• Oscylator sterowany napięciem (VCO)

Generator colpittsa została wynaleziona przez amerykańskiego inżyniera Edwin H. Colpitts w 1918 Colpitts prac oscylatora z kombinacji cewek i kondensatorów przez tworzące filtr LC. Podobnie jak inne oscylatory, oscylator Colpitts składa się z urządzenia wzmacniającego, a wyjście jest połączone z pętlą sprzężenia zwrotnego obwodu LC. Oscylator Colpittsa to oscylator liniowy, który wytwarza przebieg sinusoidalny.

Obwód zbiornika

Główne urządzenie oscylacyjne w oscylatorze Colpittsa jest tworzone za pomocą obwodu zbiornika. Obwód rezonansowy składa się z trzech components- induktor i dwa kondensatory. Dwa kondensatory są połączone szeregowo, a te kondensatory są dalej połączone równolegle z cewką.

Na powyższym obrazku pokazano trzy elementy obwodu zbiornika z odpowiednimi połączeniami. Proces rozpoczyna się od naładowania dwóch kondensatorów C1 i C2. Następnie w obwodzie zbiornika te dwa szeregowe kondensatory rozładowują się do równoległej cewki indukcyjnej L1, a energia zmagazynowana w kondensatorze jest przekazywana do cewki indukcyjnej. Ze względu na kondensator połączony równolegle, cewka indukcyjna jest teraz rozładowywana przez dwa kondensatory i kondensatory ponownie zaczynają się ładować. To ładowanie i rozładowywanie w obu elementach jest kontynuowane, zapewniając w ten sposób sygnał oscylacyjny w poprzek.

Oscylacja w dużym stopniu zależy od kondensatorów i wartości cewki indukcyjnej. Poniższy wzór służy do określenia częstotliwości oscylacji:

F = 1 / 2π√LC

gdzie F to częstotliwość, a L to cewka, C to całkowita równoważna pojemność.

Równoważną pojemność obu kondensatorów można określić za pomocą

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

Podczas tej fazy oscylacji w obwodzie zbiornika następuje pewna utrata energii. Aby zrekompensować tę utratę energii i utrzymać oscylacje wewnątrz obwodu zbiornika, wymagane jest urządzenie wzmacniające. Istnieje wiele różnych typów urządzeń wzmacniających stosowanych do kompensacji utraty energii w obwodzie zbiornika. Najpopularniejszymi urządzeniami wzmacniającymi są tranzystory i wzmacniacze operacyjne.

Oscylator Colpittsa oparty na tranzystorach

Na powyższym obrazie, oscylator Colpittsa oparty na tranzystorze jest pokazany, gdzie głównym urządzeniem wzmacniającym oscylatora jest tranzystor NPN T1.

W obwodzie rezystor R1 i R2 są wymagane dla napięcia podstawowego. Te dwa rezystory są używane do wykonania dzielnika napięcia na podstawie tranzystora T1. Rezystor R3 jest używany jako rezystor emitera. Ten rezystor jest bardzo przydatny do stabilizacji urządzenia wzmacniającego podczas dryfu termicznego. Kondensatora C3 jest stosowane jako emiterów obwodnicy kondensatora, który jest połączony równolegle z rezystorem R3. Jeśli usuniemy ten kondensator C3, wzmocniony sygnał AC zostanie zrzucony na rezystor R3 i spowoduje słabe wzmocnienie. Tak więc kondensator C3 zapewnia łatwą ścieżkę dla wzmocnionego sygnału. Sprzężenie zwrotne z obwodu zbiornika jest dalej połączone za pomocą C4 do bazy tranzystora T1.

Oscylacja tranzystorowego obwodu oscylatora Colpittsa zależy od przesunięcia fazowego. Jest to dobrze znane jako kryterium Barkhausena dla oscylatora. Zgodnie z kryterium Barkhausena wzmocnienie pętli powinno być nieco większe niż jedność, a przesunięcie fazowe wokół pętli musi wynosić 360 stopni lub 0 stopni. Tak więc w tym przypadku, aby zapewnić oscylację na wyjściu, cały obwód wymaga przesunięcia fazowego o 0 stopni lub 360 stopni. Konfiguracja tranzystora jako wspólny emiter zapewnia przesunięcie fazowe o 180 stopni, podczas gdy obwód zbiornika również przyczynia się do dodatkowego przesunięcia fazowego o 180 stopni. Łącząc te dwufazowe przesunięcia, cały zespół obwodów uzyskuje 360-stopniowe przesunięcie fazowe, które jest odpowiedzialne za oscylacje.

Sprzężenie zwrotne można kontrolować za pomocą dwóch kondensatorów C1 i C2. Te dwa kondensatory są połączone szeregowo, a złącze jest dalej połączone z masą zasilania. Napięcie na C1 jest znacznie większe niż napięcie na C2. Zmieniając te dwie wartości kondensatorów, możemy kontrolować napięcie sprzężenia zwrotnego, które jest następnie przekazywane z powrotem do obwodu zbiornika. Określenie napięcia sprzężenia zwrotnego jest kluczową częścią obwodu, ponieważ mała wartość napięcia sprzężenia zwrotnego nie aktywowałaby oscylacji, podczas gdy duża ilość napięcia sprzężenia zwrotnego doprowadzi do zniszczenia wyjściowej fali sinusoidalnej i wywoła zniekształcenia.

Oscylator Colpittsa można dostroić, zmieniając wartość indukcyjności i pojemności. Istnieją dwa sposoby, aby oscylator Colpitts działał w zmiennej konfiguracji strojenia.

Pierwszym sposobem jest zmiana cewki indukcyjnej na zmienną cewkę, a drugim sposobem jest zmiana kondensatorów na zmienny kondensator. W drugiej opcji, ponieważ napięcie sprzężenia zwrotnego jest wysoce zależne od stosunku C1 i C2, zaleca się użycie prostego zespołu. Tak więc, gdy występuje zmiana w jednym kondensatorze, drugi kondensator również zmienia swoją pojemność zgodnie z nim.

Oscylator Colpitts oparty na wzmacniaczu operacyjnym

Na powyższym obrazku pokazano obwód oscylatora Colpittsa oparty na wzmacniaczu operacyjnym. Wzmacniacz operacyjny jest w trybie konfiguracji odwracającej. Rezystory R1 i R2 służą do zapewnienia niezbędnego sprzężenia zwrotnego do wzmacniacza operacyjnego. Obwód zbiornika jest połączony z pojedynczą cewką równolegle z dwoma szeregowymi kondensatorami. Wejście wzmacniacza operacyjnego jest połączone ze sprzężeniem zwrotnym obwodu zbiornika.

Działanie jest takie samo, jak omówiono w powyższym obwodzie oscylatora Colpittsa opartym na tranzystorze. Podczas uruchamiania wzmacniacz operacyjny wzmacnia sygnał szumu, który jest odpowiedzialny za ładowanie dwóch kondensatorów. Zysk op-amp oparte Colpitts Oscylator jest wyższa niż tranzystorowy generator colpittsa.

Różnica między oscylatorem Colpittsa a oscylatorem Hartleya

Oscylator Colpittsa jest bardzo podobny do oscylatora Hartleya, ale istnieje różnica w budowie między tymi dwoma. Chociaż te dwa obwody oscylatora składają się z trzech elementów jako obwód zbiornika, ale oscylator Colpittsa wykorzystuje pojedynczą cewkę indukcyjną równolegle z dwoma kondensatorami połączonymi szeregowo, podczas gdy oscylator Hartley wykorzystuje dokładnie przeciwne, jeden kondensator równoległy z dwoma cewkami szeregowymi. Oscylator Colpittsa działa stabilniej przy pracy z wysoką częstotliwością niż oscylator Hartley.

Oscylator Colpitts to doskonały wybór w pracy z wysokimi częstotliwościami. Może wytwarzać częstotliwość wyjściową w zakresie megaherców, a także w zakresie kiloherców.

Zastosowanie obwodu oscylatora Colpittsa

1. Ze względu na trudności w płynnej zmianie cewki indukcyjnej i kondensatora, oscylator Colpittsa jest używany głównie do generowania stałej częstotliwości.

2. Głównym zastosowaniem oscylatora Colpittsa są urządzenia mobilne lub inne urządzenia komunikacyjne sterowane częstotliwością radiową.

3. W oscylacjach o wysokiej częstotliwości oscylator Colpittsa jest doskonałym wyborem. Tak więc urządzenia oparte na oscylatorach wysokiej częstotliwości wykorzystują oscylator Colpittsa.

4. W kilku zastosowaniach, w których oprócz stabilności termicznej potrzebne są ciągłe i niewytłumione oscylacje, używany jest oscylator Colpitts.

5. Do zastosowań, które wymagają szerokiego zakresu częstotliwości z minimalnym hałasem.

6. Wiele typów czujników opartych na SAW wykorzystuje oscylator Colpittsa

7. Różne typy wykrywaczy metali wykorzystują oscylator Colpittsa.

8. Nadajnik częstotliwości radiowej związany z modulacją częstotliwości wykorzystuje oscylator Colpittsa.

9. Ma ogromne zastosowanie w produktach klasy wojskowej i handlowej.

10. W zastosowaniach mikrofalowych wymagany jest również oscylator Colpittsa związany z maskowaniem sygnałów w różnych zakresach częstotliwości.