Oscilator Colpittsa

Oscilator je mehanička ili elektronička konstrukcija koja proizvodi oscilacije ovisno o nekoliko varijabli. Svi imamo uređaje kojima su potrebni oscilatori poput tradicionalnog sata ili ručnog sata. Razne vrste detektora metala, računala na kojima su uključeni mikrokontroler i mikroprocesori koriste oscilatore, posebno elektronički oscilator koji proizvodi periodične signale. U nekoliko prethodnih tutorijala raspravljali smo o nekoliko oscilatora:

• RC oscilator faznog pomaka
• Weinov mostički oscilator
• Kvarcni kristalni oscilator
• Krug oscilatora faznog pomaka
• Oscilator kontroliran naponom (VCO)

Colpittsov oscilator izumili američki inženjer Edwin H. Colpittsov u 1918. Colpittsov oscilator radi s kombinacijom prigušnice i kondenzatora formiranjem LC filtar. Jednako kao i drugi oscilatori, i Colpittsov oscilator sastoji se od uređaja za pojačanje, a izlaz je povezan s povratnom krugom LC kruga. Colpittsov oscilator je linearni oscilator koji stvara sinusni valni oblik.

Spremnički krug

Glavni oscilacijski uređaj u Colpittsovom oscilatoru stvoren je pomoću kruga spremnika. Krug spremnika sastoji se od tri komponente - prigušnice i dva kondenzatora. Dva kondenzatora su spojena u seriju, a ti su kondenzatori nadalje paralelno povezani s prigušnicom.

Na gornjoj slici prikazane su tri komponente kruga spremnika s odgovarajućim priključcima. Proces započinje punjenjem dva kondenzatora C1 i C2. Zatim se unutar kruga spremnika ta dva serijska kondenzatora prazne u paralelni induktor L1 i akumulirana energija u kondenzatoru prenosi na induktor. Zbog paralelno spojenog kondenzatora, induktor koji se sada prazni od dva kondenzatora i kondenzatori se ponovno počinju puniti. Punjenje i pražnjenje u obje komponente nastavljaju se i na taj način pružaju oscilacijski signal na njima.

Osciliranje u velikoj mjeri ovisi o kondenzatorima i vrijednosti induktora. Ispod je formula za određivanje frekvencije oscilacija:

F = 1 / 2π√LC

gdje je F frekvencija, a L induktor, C je ukupni ekvivalentni kapacitet.

Ekvivalentna kapacitivnost dvaju kondenzatora može se odrediti pomoću

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

Tijekom ove faze osciliranja u krugu spremnika događa se određeni gubitak energije. Da bi se nadoknadila ta izgubljena energija i održale oscilacije unutar kruga spremnika, potreban je uređaj za pojačanje. Postoji mnogo različitih vrsta pojačavača koji se koriste za nadoknađivanje gubitka energije unutar kruga spremnika. Najčešći pojačani uređaji su tranzistori i operativna pojačala.

Oscilator Colpitts na bazi tranzistora

Na gornjoj je slici prikazan Colpittsov oscilator zasnovan na tranzistoru, gdje je glavni pojačavač oscilatora NPN tranzistor T1.

U krugu su za osnovni napon potrebni otpornici R1 i R2. Ova dva otpora koriste se za izradu razdjelnika napona na bazi tranzistora T1. Otpornik R3 koristi se kao emiterski otpornik. Ovaj je otpor vrlo koristan za stabilno pojačanje tijekom toplinskog zanošenja. Kondenzator C3 koristi kao odašiljač zaobilazni kondenzator koji je spojen paralelno s otpornika R3. Ako uklonimo ovaj C3 kondenzator, pojačani izmjenični signal izbacit će se preko otpornika R3 i rezultirat će slabim pojačanjem. Dakle, kondenzator C3 ima lagan put za pojačani signal. Povratna informacija iz kruga spremnika nadalje je povezana pomoću C4 s bazom tranzistora T1.

Osciliranje Colpittsovog oscilatornog kruga zasnovanog na tranzistoru ovisi o faznom pomaku. To je dobro poznato kao barkhausenov kriterij za oscilator. Prema kriteriju Barkhausena, dobitak petlje trebao bi biti malo veći od jedinice, a fazni pomak oko petlje mora biti 360 stupnjeva ili 0 stupnjeva. Dakle, tijekom ovog slučaja, da bi se osiguralo osciliranje na izlazu, ukupni krug treba fazni pomak od 0 stupnjeva ili 360 stupnjeva. Konfiguracija tranzistora kao zajedničkog odašiljača omogućuje fazni pomak od 180 stupnjeva, dok krug spremnika također pridonosi dodatnom faznom pomicanju za 180 stupnjeva. Kombinacijom ovih dvofaznih pomaka ukupni krug postiže fazni pomak od 360 stupnjeva koji je odgovoran za oscilacije.

Povratnim informacijama može se upravljati pomoću dva kondenzatora C1 i C2. Ova dva kondenzatora su spojena u seriju, a spoj je dalje povezan s opskrbnim tlom. Napon na C1 je mnogo veći od napona na C2. Promjenom te dvije vrijednosti kondenzatora možemo kontrolirati povratni napon koji se dalje vraća u krug spremnika. Određivanje povratnog napona presudan je dio sklopa jer mala količina povratnog napona ne bi aktivirala oscilacije, dok će velika količina povratnog napona završiti uništavanjem izlaznog sinusnog vala i induciranjem izobličenja.

Colpittsov oscilator može se podesiti promjenom vrijednosti induktiviteta i kapacitivnosti. Postoje dva načina kako Colpittsov oscilator raditi u konfiguraciji s promjenjivim podešavanjem.

Prvi način je promjena prigušnice kao varijabilne prigušnice, a drugi način je promjena kondenzatora kao promjenjive kondenzatorice. U drugoj je opciji, budući da je povratni napon vrlo pouzdan o omjeru C1 i C2, preporučljivo koristiti jednostavnu bandu. Tako da, kada postoje varijacije u jednom kondenzatoru, i drugi kondenzator mijenja svoj kapacitet u skladu s tim.

Oscilator Colpitts na bazi op-amp

Na gornjoj slici prikazan je krug oscilatora na Colpittsovom opcijskom pojačivanju. Operacijsko pojačalo je u invertirajućem načinu konfiguracije. Otpornici R1 i R2 koriste se radi pružanja potrebnih povratnih informacija operativnom pojačalu. Krug spremnika povezan je zajedno s jednim induktorom paralelno s dva serijska kondenzatora. Ulaz operativnog pojačala povezan je s povratnom spregom kruga spremnika.

Rad je isti kao što je spomenuto u gore navedenom kolu tranzistora zasnovanog na Colpittsovom oscilatoru. Tijekom pokretanja opcijsko pojačalo pojačava signal šuma koji je odgovoran za punjenje dva kondenzatora. Dobitak od op-amp temelji Colpittsov oscilator je veći od Tranzistor se temelji Colpittsov oscilator.

Razlika između Colpittsovog oscilatora i Hartleyevog oscilatora

Colpittsov oscilator vrlo je sličan Hartleyevom oscilatoru, ali postoji razlika u konstrukciji između njih dvoje. Iako se ova dva oscilatorna kola sastoje od tri komponente kao spremnički krug, ali Colpittsov oscilator koristi jedan induktor paralelno s dva kondenzatora u seriji, dok Hartleyev oscilator koristi točno suprotno, jedan pojedinačni kondenzator paralelno s dva induktora u nizu. Colpittsov oscilator djeluje stabilnije u visokofrekventnom radu od Hartleyevog oscilatora.

Oscilator Colpitts izvrstan je izbor u visokofrekventnom radu. Može proizvesti izlaznu frekvenciju u opsegu megaherca, kao i u opsegu kiloherca.

Primjena kruga oscilatora Colpitts

1. Zbog poteškoća u glatkim varijacijama prigušnice i kondenzatora, Colpittsov oscilator uglavnom se koristi za generiranje fiksne frekvencije.

2. Glavna uporaba Colpittsovog oscilatora je u mobilnim ili drugim komunikacijskim uređajima kontroliranim radio frekvencijama.

3. U visokofrekventnim oscilacijama, Colpittsov oscilator je izvrstan izbor. Stoga uređaji temeljeni na visokofrekventnim oscilatorima koriste Colpittsov oscilator.

4. U nekoliko primjena u kojima su uz termičku stabilnost potrebne kontinuirane i prigušene oscilacije, koristi se Colpittsov oscilator.

5. Za one primjene kojima je potreban širok raspon frekvencija s minimalno induciranim šumom.

6. Mnoge vrste senzora na bazi SAW koriste oscilator Colpitts

7. Razne vrste detektora metala koriste Colpittsov oscilator.

8. Odašiljač radio frekvencije povezan s frekvencijskom modulacijom koristi Colpittsov oscilator.

9. Ima veliku primjenu u vojnim i komercijalnim proizvodima.

10. U mikrovalnim primjenama kaotični krugovi povezani s maskiranjem signala također su potrebni Colpittsov oscilator u različitim frekvencijskim rasponima.