Colpitts oscillator

En oscillator er en mekanisk eller elektronisk konstruktion, der producerer oscillation afhængigt af få variabler. Vi har alle enheder, der har brug for oscillatorer som et traditionelt ur eller et armbåndsur. Forskellige typer metaldetektorer, computere, hvor mikrocontroller og mikroprocessorer er involveret, bruger oscillatorer, især elektronikoscillator, der producerer periodiske signaler. Vi diskuterede få oscillatorer i vores tidligere tutorials:

RC fase skift oscillator
Wein Bridge Oscillator
Kvarts krystaloscillator
Fase forskydning oscillator kredsløb
Spændingsstyret oscillator (VCO)

Den Colpitts oscillator blev opfundet af amerikanske ingeniør Edwin H. Colpitts i 1918. Colpitts oscillator arbejder med en kombination af spoler og kondensatorer ved at danne en LC-filter. Samme som andre oscillatorer Colpitts oscillator består af en forstærkningsenhed, og udgangen er forbundet med en tilbagekoblingssløjfe i LC-kredsløb. Colpitts-oscillatoren er en lineær oscillator, der producerer en sinusformet bølgeform.

Tankkredsen

Hovedoscillationsanordningen i Colpitts-oscillator oprettes ved hjælp af tankkredsløbet. Den Tankkredsløbet består af tre komponenter-en induktor og to kondensatorer. To kondensatorer er forbundet i serie, og disse kondensatorer er yderligere forbundet parallelt med induktoren.

På ovenstående billede vises tre komponenter i tankkredsløbet med de rette forbindelser. Processen starter med opladning af to kondensatorer C1 og C2. Derefter aflades disse to seriekondensatorer inde i tankkredsløbet i parallelinduktoren L1, og den lagrede energi i kondensatoren overføres til induktoren. På grund af kondensatoren, der er tilsluttet parallelt, begynder induktoren, der nu aflades af de to kondensatorer, og kondensatorerne begynder at oplade igen. Disse opladninger og afladninger i begge komponenter fortsætter og giver således et svingningssignal på tværs af det.

Oscillationen afhænger meget af kondensatorerne og induktorens værdi. Nedenstående formel er at bestemme svingningsfrekvensen:

F = 1 / 2π√LC

hvor F er frekvens og L er induktor, er C den samlede ækvivalente kapacitans.

Den ækvivalente kapacitans for de to kondensatorer kan bestemmes ved hjælp af

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

I løbet af denne svingningsfase i tankkredsløbet opstår der noget energitab. For at kompensere for denne mistede energi og for at opretholde svingningen inde i tankkredsløbet kræves en forstærkningsenhed. Der er mange forskellige typer forstærkningsenheder, der bruges til at kompensere for tabet af energi inde i tankkredsløbet. De mest almindelige forstærkningsenheder er transistorer og operationelle forstærkere.

Transistorsbaserede kolpittsoscillator

I ovenstående billede vises den transistorbaserede Colpitts-oscillator, hvor oscillatorens hovedforstærkningsenhed er en NPN-transistor T1.

I kredsløbet kræves modstand R1 og R2 til basisspændingen. Disse to modstande bruges til at fremstille en spændingsdeler på tværs af Transistor T1's base. Modstand R3 bruges som en emittermodstand. Denne modstand er meget nyttig til at stabilisere forstærkningsenheden under den termiske afdrift. Den kondensatoren C3 anvendes som en emitter bypass kondensator, som er parallelforbundet med modstanden R3. Hvis vi fjerner denne C3 kondensator, vil det forstærkede vekselstrømssignal blive dumpet over modstanden R3 og resultere i en dårlig forstærkning. Så kondensatoren C3 tilvejebringes en let sti til det forstærkede signal. Feedback fra tankkredsløbet er yderligere forbundet ved hjælp af C4 til transistor T1's base.

Oscillationen af det transistorbaserede Colpitts-oscillatorkredsløb afhænger af faseforskydningen. Dette er velkendt som barkhausen-kriterium for oscillatoren. I henhold til Barkhausen-kriteriet skal sløjfeforstærkningen være lidt større end enheden, og faseforskydningen omkring sløjfen skal være 360 grader eller 0 grader. Så i dette tilfælde skal det samlede kredsløb have 0 grader eller 360 graders faseskift for at give svingningen på tværs af output. Transistorkonfigurationen som fælles emitter giver 180-graders faseforskydning, mens tankkredsløbet også bidrager med yderligere 180-graders faseforskydning. Ved at kombinere denne tofaseskift opnår det samlede kredsløb 360-graders faseforskydning, som er ansvarlig for svingningen.

Feedback kan styres ved hjælp af de to kondensatorer C1 og C2. Disse to kondensatorer er forbundet i serie, og krydset er yderligere forbundet med forsyningsjorden. Spændingen over C1 er meget større end spændingen over C2. Ved at ændre disse to kondensatorværdier kan vi kontrollere feedback-spændingen, som yderligere føres tilbage til tankkredsløbet. Bestemmelsen af feedback-spændingen er en vigtig del af kredsløbet, fordi den lave mængde feedback-spænding ikke vil aktivere svingningen, mens en høj mængde feedback-spænding ender med at ødelægge udgangssinusbølgen og inducere forvrængning.

Colpitts-oscillatoren kan indstilles ved at ændre værdien af induktans og kapacitans. Der er to måder at få Colpitts-oscillatoren til at fungere i en konfiguration med variabel tuning.

Den første måde er at ændre induktoren som en variabel induktor, og den anden måde er at ændre kondensatorerne som en variabel kondensator. I den anden mulighed, da feedback-spændingen er meget pålidelig på forholdet mellem C1 og C2, anbefales det at bruge en simpel bande. Så når der er variation i en kondensator, ændrer den anden kondensator også sin kapacitans i overensstemmelse med den.

Op-Amp-baserede Colpitts-oscillator

I ovenstående billede vises op-amp-baserede Colpitts-oscillatorkredsløb. Operationsforstærkeren er i inverterende konfigurationstilstand. Modstande R1 og R2 bruges på grund af at give den nødvendige feedback til operationsforstærkeren. Tankkredsløbet er forbundet sammen med den enkelte induktor parallelt med to seriekondensatorer. Operationsforstærkerens indgang er forbundet til tankens kredsløb.

Arbejdet er det samme som diskuteret i ovenstående transistorbaserede Colpitts-oscillatorkredsløb. Under opstart forstærker op-amp støjsignalet, som er ansvarlig for at oplade to kondensatorer. Den gevinst på Op-amp baseret Colpitts Oscillator er højere end Transistor baserede Colpitts Oscillator.

Forskel mellem Colpitts Oscillator og Hartley Oscillator

Colpitts-oscillatoren ligner meget Hartley-oscillatoren, men der er forskel i konstruktion mellem disse to. Selvom disse to oscillatorkredse består af tre komponenter som et tankkredsløb, men Colpitts-oscillatoren bruger en enkelt induktor parallelt med to kondensatorer i serie, mens Hartley-oscillatoren bruger nøjagtigt modsat, en enkelt kondensator parallelt med to induktorer i serie. Colpitts oscillator fungerer mere stabilt i højfrekvent drift end Hartley Oscillator.

Colpitts-oscillatoren er et fremragende valg i højfrekvent drift. Det kan producere outputfrekvens i Megahertz-området såvel som i Kilohertz-området.

Anvendelse af Colpitts Oscillator Circuit

1. På grund af vanskelighederne med en jævn variation af induktor og kondensator bruges Colpitts-oscillatoren hovedsageligt til generering af fast frekvens.

2. Hovedanvendelsen af Colpitts-oscillator er i mobile eller andre radiofrekvenskontrollerede kommunikationsenheder.

3. I højfrekvent svingning er Colpitts oscillator et fremragende valg. Således bruger højfrekvente oscillatorbaserede enheder Colpitts Oscillator.

4. I nogle få applikationer, hvor der er behov for kontinuerlig og ikke-dæmpet svingning ud over termisk stabilitet, anvendes Colpitts Oscillator.

5. Til de applikationer, der har brug for en bred vifte af frekvenser med mindst mulig induceret støj.

6. Mange typer SAW-baserede sensorer bruger Colpitts-oscillator

7. Forskellige typer metaldetektorer bruger Colpitts oscillator.

8. Frekvensmodulationsrelateret radiofrekvenssender bruger Colpitts-oscillator.

9. Det har en enorm anvendelse i militære og kommercielle produkter.

10. I mikrobølgeapplikationer kræves også signalmaskeringsrelaterede kaotiske kredsløb Colpitts-oscillator i det forskellige frekvensområde.