Colpitts-oskillaattori

Oskillaattori on mekaaninen tai elektroninen rakenne, joka tuottaa värähtelyä muutamasta muuttujasta riippuen. Meillä kaikilla on laitteita, jotka tarvitsevat oskillaattoreita, kuten perinteinen kello tai rannekello. Erilaiset metallinilmaisimet, tietokoneet, joissa mikrokontrolleri ja mikroprosessorit ovat mukana, käyttävät oskillaattoreita, erityisesti elektronisia oskillaattoreita, jotka tuottavat jaksollisia signaaleja. Keskustelimme muutamista oskillaattoreista aiemmissa opetusohjelmissamme:

• RC-vaihesiirtooskillaattori
• Wein-sillan oskillaattori
• Kvartsikideoskillaattori
• Vaihesiirtooskillaattoripiiri
• Jänniteohjattu oskillaattori (VCO)

Colpitts oskillaattori keksi amerikkalainen insinööri Edwin H. Colpitts 1918. Colpitts oskillaattori teosten yhdistelmä induktorit ja kondensaattorit muodostamalla LC-suodattimen. Sama kuin muut oskillaattorit, Colpitts-oskillaattori koostuu vahvistinlaitteesta, ja lähtö on kytketty LC-piirin takaisinkytkentäsilmukkaan. Colpitts-oskillaattori on lineaarinen oskillaattori, joka tuottaa sinimuotoisen aaltomuodon.

Säiliöpiiri

Tärkeimmät värähtely laite Colpitts oskillaattori on luotu säiliön piiri. Säiliö piiri koostuu kolmesta components- kelan ja kaksi kondensaattoria. Kaksi kondensaattoria on kytketty sarjaan, ja nämä kondensaattorit kytketään edelleen rinnakkain induktorin kanssa.

Yllä olevassa kuvassa kolme säiliöpiirin komponenttia on esitetty asianmukaisilla liitännöillä. Prosessi alkaa lataamalla kaksi kondensaattoria C1 ja C2. Sitten säiliöpiirin sisällä nämä kaksi sarjakondensaattoria purkautuvat rinnakkaisinduktoriin L1 ja kondensaattoriin varastoitu energia siirtyy induktoriin. Rinnakkain kytketyn kondensaattorin ansiosta kahden kondensaattorin purkautunut induktori ja kondensaattorit alkavat jälleen latautua. Nämä lataukset ja purkamiset molemmissa komponenteissa jatkuvat ja tuottavat siten värähtelysignaalin sen yli.

Värähtely riippuu suuresti kondensaattoreista ja induktorin arvosta. Alla oleva kaava on määrittää värähtelytaajuus:

F = 1 / 2π√LC

missä F on taajuus ja L on induktori, C on ekvivalenttikapasitanssi.

Kahden kondensaattorin ekvivalentti kapasitanssi voidaan määrittää käyttämällä

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

Tämän säiliöpiirin värähtelyvaiheen aikana tapahtuu jonkin verran energiahäviötä. Tämän menetetyn energian kompensoimiseksi ja säiliöpiirin sisäisen värähtelyn ylläpitämiseksi tarvitaan vahvistinlaite. Säiliöpiirin sisällä tapahtuvan energiahäviön kompensointiin käytetään monia erityyppisiä vahvistinlaitteita. Yleisimmät vahvistusvälineet ovat transistorit ja operatiiviset vahvistimet.

Transistoreihin perustuva Colpitts-oskillaattori

Yllä olevassa kuvassa on esitetty transistoripohjainen Colpitts-oskillaattori, jossa oskillaattorin päävahvistuslaite on NPN-transistori T1.

Piirissä tarvitaan vastusta R1 ja R2 perusjännitteelle. Näitä kahta vastusta käytetään jännitteenjakajan muodostamiseen transistorin T1 alustan yli. Vastusta R3 käytetään emitterivastuksena. Tämä vastus on erittäin hyödyllinen vahvistuslaitteen vakauttamiseksi lämpöpoiston aikana. C3 käytetään emitteri ohittaa kondensaattori, joka on kytketty rinnan vastuksen R3. Jos poistamme tämän C3-kondensaattorin, vahvistettu vaihtosignaali kaadetaan vastuksen R3 yli ja johtaa heikkoon vahvistukseen. Kondensaattorille C3 tarjotaan siis helppo polku vahvistetulle signaalille. Säiliöpiirin palaute kytketään edelleen C4: n avulla transistorin T1 alustaan.

Värähtelyn transistorin perustuu Colpitts oskillaattoripiiri on riippuvainen vaihesiirto. Tämä tunnetaan hyvin oskillaattorin barkhausen-kriteerinä. Kohti Barkhausen Kriteeri, silmukkavahvistusta tulisi olla hieman suurempi kuin yhtenäisyyden ja vaihesiirron silmukan ympäri täytyy olla 360 astetta tai 0 astetta. Joten tässä tapauksessa värähtelyn aikaansaamiseksi lähdön yli kokonaispiiri tarvitsee 0 astetta tai 360 asteen vaihesiirron. Transistorin kokoonpano yleisenä emitterinä tarjoaa 180 asteen vaihesiirron, kun taas säiliöpiiri lisää myös 180 asteen vaihesiirron. Yhdistämällä nämä kaksivaiheiset siirrot kokonaispiiri saavuttaa 360 asteen vaihesiirron, joka on vastuussa värähtelystä.

Palautetta voidaan ohjata kahdella kondensaattorilla C1 ja C2. Nämä kaksi kondensaattoria on kytketty sarjaan ja liitos liitetään edelleen syöttömaahan. Jännite C1: n yli on paljon suurempi kuin jännite C2: n yli. Muuttamalla näitä kahta kondensaattorin arvoa voimme hallita takaisinkytkentäjännitettä, joka syötetään edelleen takaisin säiliöpiiriin. Takaisinkytkentäjännitteen määrittäminen on kriittinen osa piiriä, koska pieni takaisinkytkentäjännitteen määrä ei aktivoi värähtelyä, kun taas suuri määrä takaisinkytkentäjännitettä tuhoaa lähdön siniaallon ja aiheuttaa vääristymiä.

Colpitts-oskillaattori voidaan virittää muuttamalla induktanssin ja kapasitanssin arvoa. On kaksi tapaa saada Colpitts-oskillaattori toimimaan muuttuvassa virityskokoonpanossa.

Ensimmäinen tapa on muuttaa induktoria muuttuvana induktorina ja toinen tapa on muuttaa kondensaattoreita muuttuvana kondensaattorina. Toisessa vaihtoehdossa, koska takaisinkytkentäjännite on erittäin luotettava C1: n ja C2: n suhteeseen, on suositeltavaa käyttää yksinkertaista ryhmää. Joten kun yhdessä kondensaattorissa on vaihtelua, myös toinen kondensaattori muuttaa kapasitanssiaan sen mukaisesti.

Op-Amp-pohjainen Colpitts-oskillaattori

Yllä olevassa kuvassa näytetään op-amp-pohjainen Colpitts-oskillaattoripiiri. Operatiivinen vahvistin on käänteisessä kokoonpanotilassa. Vastuksia R1 ja R2 käytetään tarvittavan palautteen antamiseksi operatiiviselle vahvistimelle. Säiliöpiiri on kytketty yhden induktorin kanssa rinnakkain kahden sarjakondensaattorin kanssa. Operatiivisen vahvistimen tulo on kytketty säiliöpiirin takaisinkytkentään.

Toimii samalla tavalla kuin edellä transistoripohjaisessa Colpitts-oskillaattoripiirissä. Käynnistyksen aikana op-vahvistin vahvistaa melusignaalia, joka on vastuussa kahden kondensaattorin lataamisesta. Voitto Op-amp perustuva Colpitts Oskillaattori on suurempi kuin transistori, joka perustuu Colpitts Oscillator.

Ero Colpitts-oskillaattorin ja Hartley-oskillaattorin välillä

Colpitts-oskillaattori on hyvin samanlainen kuin Hartley-oskillaattori, mutta näiden kahden välillä on ero rakenteessa. Vaikka nämä kaksi oskillaattoripiiriä koostuvat kolmesta komponentista säiliöpiirinä, mutta Colpitts-oskillaattori käyttää yhtä induktoria rinnakkain kahden sarjassa olevan kondensaattorin kanssa, kun taas Hartley-oskillaattori käyttää täsmälleen päinvastaista, yhtä kondensaattoria rinnakkain kahden sarjassa olevan induktorin kanssa. Colpitts-oskillaattori toimii vakaammin korkean taajuuden toiminnassa kuin Hartley-oskillaattori.

Colpitts-oskillaattori on erinomainen valinta suurtaajuuskäytössä. Se voi tuottaa ulostulotaajuuden sekä Megahertz-alueella että Kilohertz-alueella.

Colpitts-oskillaattoripiirin käyttö

1. Koska induktorin ja kondensaattorin sujuvassa vaihtelussa on vaikeuksia, Colpitts-oskillaattoria käytetään pääasiassa kiinteän taajuuden tuottamiseen.

2. Colpitts-oskillaattorin pääasiallinen käyttö on matkaviestimissä tai muissa radiotaajuusohjatuissa viestintälaitteissa.

3. Korkean taajuuden värähtelyissä Colpitts-oskillaattori on erinomainen valinta. Siksi korkeataajuiset oskillaattoripohjaiset laitteet käyttävät Colpitts-oskillaattoria.

4. Muutamissa sovelluksissa, joissa tarvitaan jatkuvaa ja vaimentamatonta värähtelyä lämpöstabiilisuuden lisäksi, käytetään Colpitts-oskillaattoria.

5. Niille sovelluksille, jotka tarvitsevat laajan taajuusalueen ja mahdollisimman pienen melun.

6. Monissa SAW-pohjaisissa antureissa käytetään Colpitts-oskillaattoria

7. Erilaiset metallinilmaisimet käyttävät Colpitts-oskillaattoria.

8. Taajuusmodulaatioon liittyvä radiotaajuuslähetin käyttää Colpitts-oskillaattoria.

9. Sillä on valtava käyttö sotilaallisissa ja kaupallisissa tuotteissa.

10. Mikroaaltosovelluksissa tarvitaan myös signaalin peittämiseen liittyviä kaoottisia piirejä. Colpitts-oskillaattori eri taajuusalueella.