Colpitts oszcillátor

Az oszcillátor olyan mechanikus vagy elektronikus szerkezet, amely néhány változótól függően produkál rezgést. Mindannyiunknak van olyan eszköze, amelyhez olyan oszcillátorokra van szükség, mint egy hagyományos óra vagy egy karóra. Különböző típusú fémdetektorok, számítógépek, ahol mikrokontroller és mikroprocesszorok vannak jelen, oszcillátorokat használnak, különösen az elektronikai oszcillátorokat, amelyek periodikus jeleket produkálnak. Korábbi oktatóanyagainkban néhány oszcillátorról beszéltünk:

• RC fázisváltó oszcillátor
• Wein híd oszcillátor
• Kvarc-kristály oszcillátor
• Fáziseltolásos oszcillátor áramkör
• Feszültségvezérelt oszcillátor (VCO)

A Colpitts oszcillátort Edwin H. Colpitts amerikai mérnök találta ki 1918-ban. A Colpitts oszcillátor az induktorok és kondenzátorok kombinációjával működik, LC-szűrőt alkotva. A többi oszcillátorral megegyezően a Colpitts oszcillátor egy erősítő eszközből áll, és a kimenetet egy LC áramkör visszacsatoló hurokkal kötik össze. A Colpitts oszcillátor egy lineáris oszcillátor, amely szinuszos hullámformát hoz létre.

A tartály áramköre

A Colpitts oszcillátor fő oszcillációs eszközét a tartály áramkör segítségével hozzák létre. A tartály áramkör három alkatrészből áll - egy induktivitásból és két kondenzátorból. Két kondenzátor van sorosan csatlakoztatva, és ezek a kondenzátorok tovább kapcsolódnak párhuzamosan az induktorral.

A fenti képen a tartály áramkörének három alkatrésze látható megfelelő csatlakozással. A folyamat két C1 és C2 kondenzátor töltésével kezdődik. Ezután a tartály áramkörében ez a két soros kondenzátor kisül a párhuzamos L1 induktorba, és a kondenzátorban tárolt energia átkerül az induktorra. A párhuzamosan kapcsolt kondenzátor miatt a két kondenzátor által most kisütött induktor és a kondenzátorok újra töltődni kezdenek. Ezek a töltések és kisütések mindkét komponensben folytatódnak, és ezáltal rezgési jelet adnak át rajta.

A rezgés nagymértékben függ a kondenzátoroktól és az induktor értékétől. Az alábbi képlet az oszcillációs frekvencia meghatározására szolgál:

F = 1 / 2π√LC

ahol F a frekvencia és L az induktor, C a teljes ekvivalens kapacitás.

A két kondenzátor ekvivalens kapacitását a segítségével lehet meghatározni

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

A tartályáramkör ezen oszcillációs fázisa alatt némi energiaveszteség keletkezik. Ennek az elvesztett energiának a kompenzálásához és a tartály áramkörének rezgésének fenntartásához erősítő eszközre van szükség. A tartálykörön belüli energiaveszteség kompenzálására sokféle erősítő eszközt használnak. A leggyakoribb erősítő eszközök a tranzisztorok és a műveleti erősítők.

Tranzisztor alapú Colpitts oszcillátor

A fenti képen a tranzisztor alapú Colpitts oszcillátor látható, ahol az oszcillátor fő erősítő eszköze egy T1 NPN tranzisztor.

Az áramkörben R1 és R2 ellenállás szükséges az alapfeszültséghez. Ezt a két ellenállást használják feszültségosztó készítésére a T1 tranzisztor bázisán. Az R3 ellenállást emitteres ellenállásként használják. Ez az ellenállás nagyon hasznos az erősítő eszköz stabilizálásához a hő sodródása során. A C3 kondenzátort emitter bypass kondenzátorként használják, amely párhuzamosan kapcsolódik az R3 ellenállással. Ha eltávolítjuk ezt a C3 kondenzátort, akkor az erősített AC jel az R3 ellenálláson keresztül dobódik, és gyenge erősítést eredményez. Tehát a C3 kondenzátor könnyű utat biztosít az erősített jel számára. A tartálykör visszacsatolása a C4 segítségével tovább kapcsolódik a T1 tranzisztor bázisához.

A tranzisztor alapú Colpitts oszcillátor áramkör rezgése a fáziseltolódástól függ. Ez az oszcillátor barkhauseni kritériuma. A Barkhauseni kritérium szerint a hurokerősítésnek valamivel nagyobbnak kell lennie, mint az egység, és a hurok körüli fáziseltolásnak 360 fokosnak vagy 0 fokosnak kell lennie. Tehát ebben az esetben a kimeneten belüli rezgés biztosításához a teljes áramkörnek 0 fokos vagy 360 fokos fáziseltolásra van szüksége. A tranzisztor konfiguráció közös emitterként 180 fokos fáziseltolódást biztosít, míg a tartály áramkör további 180 fokos fáziseltolással is jár. E kétfázisú eltolások kombinálásával a teljes áramkör 360 fokos fáziseltolódást ér el, amely felelős az oszcillációért.

A visszacsatolás a két C1 és C2 kondenzátor segítségével szabályozható. Ez a két kondenzátor sorba van kötve, és a csomópont tovább csatlakozik a tápfeszültséghez. A C1-es feszültség sokkal nagyobb, mint a C2-es feszültség. A két kondenzátor értékének megváltoztatásával szabályozhatjuk a visszacsatolási feszültséget, amelyet tovább visszavezetünk a tartály áramkörébe. A visszacsatolási feszültség meghatározása az áramkör döntő része, mert az alacsony visszacsatolási feszültség nem aktiválná az oszcillációt, míg a visszacsatolási feszültség nagy mennyisége a kimeneti szinuszhullám tönkremenetelét és torzulást idéz elő.

A Colpitts oszcillátor az induktivitás és a kapacitás értékének megváltoztatásával hangolható. Kétféle módon lehet a Colpitts oszcillátort változó hangolási konfigurációban működtetni.

Az első módszer az induktor változó induktorként történő megváltoztatása, a másik módszer pedig a kondenzátorok változó kondenzátorként történő megváltoztatása. A második lehetőség szerint, mivel a visszacsatolási feszültség nagymértékben függ a C1 és C2 arányától, tanácsos egy egyszerű csoportot használni. Tehát, ha az egyik kondenzátorban eltérés van, a másik kondenzátor is ennek megfelelően változtatja meg a kapacitását.

Op-Amp alapú Colpitts oszcillátor

A fenti képen az op-amp alapú Colpitts oszcillátor áramkör látható. A műveleti erősítő invertáló konfigurációs módban van. Az R1 és R2 ellenállásokat azért használják, hogy biztosítsák a szükséges visszacsatolást az operációs erősítőhöz. A tartály áramköre az egyetlen induktorral párhuzamosan, két soros kondenzátorral van összekötve. Az üzemi erősítő bemenete a tartály áramkörének visszacsatolásához van kötve.

A működés megegyezik a fenti tranzisztor alapú Colpitts oszcillátor áramkörben tárgyaltakkal. Az indítás során az op-erősítő erősíti a zajjelet, amely két kondenzátor töltéséért felelős. Az Op-amp alapú Colpitts oszcillátor erősítése nagyobb, mint a tranzisztor alapú Colpitts oszcillátoré.

Különbség a Colpitts oszcillátor és a Hartley oszcillátor között

A Colpitts oszcillátor nagyon hasonlít a Hartley oszcillátorra, de a kettő között különbség van a felépítésben. Bár ez a két oszcillátor áramkör három alkatrészből áll, mint tartály áramkör, de a Colpitts oszcillátor egyetlen induktivitást használ párhuzamosan két soros kondenzátorral, míg a Hartley oszcillátor pontosan ellentétes, egyetlen kondenzátort használ párhuzamosan két soros induktorral. A Colpitts oszcillátor stabilabb teljesítményt nyújt nagyfrekvenciás működésben, mint a Hartley oszcillátor.

A Colpitts oszcillátor kiváló választás nagyfrekvenciás üzemben. Megahertz tartományban, valamint Kilohertz tartományban képes kimeneti frekvenciát előállítani.

Colpitts oszcillátor áramkör alkalmazása

1. Az induktor és a kondenzátor zavartalan variálásának nehézségei miatt a Colpitts oszcillátort elsősorban rögzített frekvencia előállítására használják.

2. A Colpitts oszcillátort elsősorban mobil vagy más rádiófrekvenciával vezérelt kommunikációs eszközökben használják.

3. Nagyfrekvenciás oszcilláció esetén a Colpitts oszcillátor kiváló választás. Így a nagyfrekvenciás oszcillátor alapú eszközök Colpitts oszcillátort használnak.

4. Néhány alkalmazásban, ahol a hőstabilitás mellett folyamatos és csillapítás nélküli oszcillációra van szükség, a Colpitts oszcillátort használják.

5. Azokhoz az alkalmazásokhoz, amelyekhez a frekvenciák széles skálája szükséges, minimális zajszint mellett.

6. Sok SAW-alapú érzékelő használ Colpitts oszcillátort

7. Különböző típusú fémdetektorok használják a Colpitts oszcillátort.

8. A frekvencia modulációval kapcsolatos rádiófrekvenciás adó Colpitts oszcillátort használ.

9. Hatalmas alkalmazása katonai és kereskedelmi minőségű termékekben.

10. Mikrohullámú alkalmazásokban a jelet elfedő kaotikus áramkörökre is szükség van Colpitts oszcillátorra a különböző frekvenciatartományban.