Colpittsův oscilátor

Oscilátor je mechanická nebo elektronická konstrukce, která produkuje oscilaci v závislosti na několika proměnných. Všichni máme zařízení, která potřebují oscilátory, jako jsou tradiční hodiny nebo náramkové hodinky. Různé typy detektorů kovů, počítače, kde jsou zapojeny mikrokontroléry a mikroprocesory, používají oscilátory, zejména elektronický oscilátor, který produkuje periodické signály. V minulých cvičeních jsme probrali několik oscilátorů:

• Oscilátor RC fázového posuvu
• Wein Bridge oscilátor
• Oscilátor z křemenného krystalu
• Obvod fázového posunu oscilátoru
• Napěťově řízený oscilátor (VCO)

Colpittsův oscilátor byl vynalezen americkým inženýrem Edwin H. Colpitts v roce 1918. colpittsův oscilátor pracuje s kombinací tlumivek a kondenzátorů tvoří LC filtr. Stejně jako ostatní oscilátory se oscilátor Colpitts skládá ze zesilovacího zařízení a výstup je spojen se zpětnou vazbou obvodu LC. Colpittsův oscilátor je lineární oscilátor, který vytváří sinusový průběh.

Tank Circuit

Hlavní oscilační zařízení v oscilátoru Colpitts je vytvořeno pomocí obvodu nádrže. Obvod nádrže se skládá ze tří komponent - induktoru a dvou kondenzátorů. Dva kondenzátory jsou zapojeny do série a tyto kondenzátory jsou dále zapojeny paralelně s induktorem.

Na výše uvedeném obrázku jsou zobrazeny tři součásti okruhu nádrže se správným připojením. Proces začíná nabíjením dvou kondenzátorů C1 a C2. Pak se uvnitř obvodu nádrže tyto dvě série kondenzátorů vybijí do paralelního induktoru L1 a akumulovaná energie v kondenzátoru se přenese do induktoru. Kvůli paralelně připojenému kondenzátoru se induktor nyní vybitý dvěma kondenzátory a kondenzátory začnou znovu nabíjet. Tato nabíjení a vybíjení v obou složkách pokračuje, a tím zajišťuje oscilační signál přes ni.

Oscilace velmi závisí na kondenzátorech a hodnotě induktoru. Níže uvedený vzorec určuje frekvenci kmitání:

F = 1 / 2π√LC

kde F je frekvence a L je induktor, C je celková ekvivalentní kapacita.

Ekvivalentní kapacitu obou kondenzátorů lze určit pomocí

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

Během této oscilační fáze v okruhu nádrže dochází ke ztrátě energie. Pro kompenzaci této ztracené energie a pro udržení oscilace uvnitř okruhu nádrže je zapotřebí zesilovací zařízení. Existuje mnoho různých typů zesilovacích zařízení používaných k vyrovnání ztráty energie uvnitř obvodu nádrže. Nejběžnějším zesilovacím zařízením jsou tranzistory a operační zesilovače.

Oscilátor Colpitts založený na tranzistorech

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen Colpittsův oscilátor založený na tranzistorech, kde je hlavním zesilovacím zařízením oscilátoru NPN tranzistor T1.

V obvodu jsou pro základní napětí vyžadovány rezistory R1 a R2. Tyto dva rezistory se používají k vytvoření děliče napětí přes základnu tranzistoru T1. Rezistor R3 se používá jako emitorový rezistor. Tento odpor je velmi užitečný pro stabilizaci zesilovacího zařízení během tepelného driftu. Kondenzátor C3 je použit jako emitor bypass kondenzátor, který je spojen paralelně s odporem R3. Pokud odstraníme tento kondenzátor C3, zesílený střídavý signál bude vyhozen přes rezistor R3 a bude mít za následek špatný zisk. Takže kondenzátor C3 poskytuje snadnou cestu pro zesílený signál. Zpětná vazba z obvodu nádrže je dále připojena pomocí C4 k základně tranzistoru T1.

Oscilace tranzistorového obvodu oscilátoru Colpitts závisí na fázovém posunu. Toto je dobře známé jako barkhausenské kritérium pro oscilátor. Podle Barkhausenova kritéria by měl být zisk smyčky o něco větší než jednota a fázový posun kolem smyčky musí být 360 stupňů nebo 0 stupňů. Takže v tomto případě potřebuje celkový obvod k oscilaci na výstupu 0 stupňů nebo 360stupňový fázový posun. Konfigurace tranzistoru jako společný emitor zajišťuje 180stupňový fázový posun, zatímco obvod nádrže také přispívá dalším 180stupňovým fázovým posunem. Kombinací těchto dvoufázových posunů dosahuje celkový obvod 360stupňový fázový posun, který je zodpovědný za oscilaci.

Zpětnou vazbu lze ovládat pomocí dvou kondenzátorů C1 a C2. Tyto dva kondenzátory jsou zapojeny do série a spojení je dále spojeno se zemí uzemnění. Napětí napříč C1 je mnohem větší než napětí napříč C2. Změnou těchto dvou hodnot kondenzátoru můžeme řídit zpětnovazební napětí, které se dále přivádí zpět do obvodu nádrže. Stanovení zpětnovazebního napětí je klíčovou součástí obvodů, protože nízké množství zpětnovazebního napětí by neaktivovalo oscilaci, zatímco vysoké množství zpětnovazebního napětí by skončilo zničením výstupní sinusové vlny a vyvolalo zkreslení.

Colpittsův oscilátor lze vyladit změnou hodnoty indukčnosti a kapacity. Existují dva způsoby, jak zajistit, aby oscilátor Colpitts pracoval v proměnlivé konfiguraci ladění.

Prvním způsobem je změna induktoru jako variabilního induktoru a druhým způsobem je změna kondenzátorů jako variabilního kondenzátoru. Ve druhé možnosti, protože zpětnovazební napětí je vysoce závislé na poměru C1 a C2, je vhodné použít jednoduchý gang. Takže když dojde ke změně v jednom kondenzátoru, druhý kondenzátor také změní svou kapacitu podle toho.

Oscilátor Colpitts založený na operačních zesilovačích

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen obvod oscilátoru Colpitts založený na operačních zesilovačích. Operační zesilovač je v režimu inverzní konfigurace. Rezistory R1 a R2 se používají kvůli poskytování potřebné zpětné vazby operačnímu zesilovači. Obvod nádrže je spojen s jediným induktorem paralelně se dvěma sériovými kondenzátory. Vstup operačního zesilovače je připojen k zpětné vazbě obvodu nádrže.

Práce je stejná, jak byla popsána ve výše uvedeném tranzistorovém obvodu oscilátoru Colpitts. Během spuštění operační zesilovač zesiluje šumový signál, který je zodpovědný za nabíjení dvou kondenzátorů. Zisk Op-amp na bázi colpittsův oscilátor je vyšší než Transistor bázi colpittsův oscilátor.

Rozdíl mezi Colpitts Oscillator a Hartley Oscillator

Oscilátor Colpitts je velmi podobný oscilátoru Hartley, ale mezi těmito dvěma je rozdíl v konstrukci. Ačkoli tyto dva oscilátorové obvody sestávají ze tří komponent jako obvod nádrže, ale oscilátor Colpitts používá jeden induktor paralelně se dvěma kondenzátory v sérii, zatímco Hartleyův oscilátor používá přesně opačně, jeden kondenzátor paralelně se dvěma induktory v sérii. Oscilátor Colpitts je ve vysokofrekvenčním provozu stabilnější než oscilátor Hartley.

Oscilátor Colpitts je vynikající volbou ve vysokofrekvenčním provozu. Může produkovat výstupní frekvenci v rozsahu Megahertzů i v rozsahu Kilohertzů.

Použití obvodu oscilátoru Colpitts

1. Kvůli obtížím plynulé změny induktoru a kondenzátoru se oscilátor Colpitts používá hlavně pro generování pevné frekvence.

2. Hlavní použití oscilátoru Colpitts je v mobilních nebo jiných vysokofrekvenčních komunikačních zařízeních.

3. Ve vysokofrekvenčním kmitání je oscilátor Colpitts vynikající volbou. Zařízení založená na vysokofrekvenčním oscilátoru tedy používají oscilátor Colpitts.

4. V několika aplikacích, kde je kromě tepelné stability zapotřebí nepřetržité a netlumené kmitání, se používá Colpittsův oscilátor.

5. Pro aplikace, které potřebují široký rozsah frekvencí s minimálním indukovaným šumem.

6. Mnoho typů senzorů založených na SAW používá oscilátor Colpitts

7. Oscilátor Colpitts používají různé typy detektorů kovů.

8. Vysokofrekvenční vysílač související s frekvenční modulací používá oscilátor Colpitts.

9. Má obrovské uplatnění ve vojenských a komerčních produktech.

10. V mikrovlnných aplikacích je také zapotřebí chaotické obvody související s maskováním signálu Colpittsův oscilátor v různých frekvenčních rozsazích.