Осцилятор Колпітта

Генератор - це механічна або електронна конструкція, яка створює коливання залежно від кількох змінних. Ми всі маємо пристрої, яким потрібні генератори, такі як традиційні годинник або наручний годинник. Різні типи металошукачів, комп’ютери, де задіяні мікроконтролер та мікропроцесори, використовують генератори, особливо електронні генератори, які виробляють періодичні сигнали. У попередніх підручниках ми обговорювали кілька генераторів:

RC осцилятор фазового зсуву
Мостовий генератор Вайна
Кварцовий кристалічний генератор
Схема генератора фазового зсуву
Осцилятор з керованою напругою (VCO)

Colpitts осцилятор був винайдений американським інженером Колпітц в 1918 році Колпітс гетеродина працює з комбінацією індукторів і конденсаторів шляхом формування LC фільтр. Так само, як і інші генератори, генератор Колпітта складається з пристрою посилення, а вихід з'єднаний з ланцюгом зворотного зв'язку LC. Генератор Колпітса - це лінійний генератор, який створює синусоїдальну форму хвилі.

Танкова схема

Основний пристрій коливань в осциляторі Колпітса створюється за допомогою резервуарної схеми. Контур складається з трьох компоненти- в котушці індуктивності і двох конденсаторів. Два конденсатори з'єднані послідовно, і ці конденсатори додатково підключені паралельно індуктивності.

На зображенні вище три компоненти контуру бака показані з належними з'єднаннями. Процес починається із зарядки двох конденсаторів С1 і С2. Потім всередині контуру бака ці два послідовні конденсатори розряджаються в паралельний індуктор L1, а накопичена енергія в конденсаторі передається на індуктор. Через паралельно підключений конденсатор індуктор, розряджений двома конденсаторами, і конденсатори знову починають заряджатися. Ці заряджання та розрядження в обох компонентах продовжуються і, таким чином, забезпечують сигнал коливань поперек.

Коливання сильно залежить від конденсаторів та значення індуктивності. Нижче формула для визначення частоти коливань:

F = 1 / 2π√LC

де F - частота, а L - індуктор, C - загальна еквівалентна ємність.

Еквівалентну ємність двох конденсаторів можна визначити за допомогою

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

Під час цієї фази коливань у контурі резервуару відбуваються деякі втрати енергії. Щоб компенсувати цю втрачену енергію та підтримати коливання всередині контуру бака, потрібен пристрій посилення. Існує багато різних типів підсилювачів, що використовуються для компенсації втрат енергії всередині контуру резервуара. Найпоширенішими пристроями посилення є транзистори та операційні підсилювачі.

Транзисторний генератор Колпітта

На наведеному вище зображенні показано осцилятор Колпітта на основі транзистора, де основним пристроєм посилення генератора є транзистор T1 NPN.

У ланцюзі для базової напруги потрібні резистори R1 і R2. Ці два резистори використовуються для виготовлення дільника напруги на базі транзистора Т1. Резистор R3 використовується як емітерний резистор. Цей резистор дуже корисний для стабільного посилення пристрою під час теплового дрейфу. Конденсатор C3 використовуються в якості емітерного шунтирующего конденсатора, який з'єднаний паралельно з резистором R3. Якщо ми видалимо цей конденсатор С3, посилений сигнал змінного струму буде потрапляти через резистор R3 і призведе до поганого посилення. Отже, конденсатор С3 забезпечує простий шлях для посиленого сигналу. Зворотний зв'язок з резервуарної ланцюга додатково підключається за допомогою C4 до основи транзистора T1.

Коливань транзистора на основі схеми генератора Колпітса це залежить від зсуву фаз. Це добре відомо як критерій Бархаузена для осцилятора. Відповідно до критерію Баркхаузена, коефіцієнт підсилення петлі повинен бути трохи більшим, ніж одиниця, а зсув фази навколо петлі повинен становити 360 градусів або 0 градусів. Отже, в цьому випадку, щоб забезпечити коливання на виході, загальна схема потребує 0 градусів або 360-градусний зсув фази. Конфігурація транзистора як загального випромінювача забезпечує зсув фази на 180 градусів, тоді як контур бака також сприяє додатковому зсуву фази на 180 градусів. Поєднуючи ці двофазні зсуви, загальна схема досягає фазового зсуву на 360 градусів, який відповідає за коливання.

Зворотній зв'язок можна контролювати за допомогою двох конденсаторів C1 і C2. Ці два конденсатори з'єднані послідовно, а місце з'єднання додатково з'єднане із землею живлення. Напруга на С1 набагато більша, ніж напруга на С2. Змінюючи ці два значення конденсатора, ми можемо контролювати напругу зворотного зв'язку, яка надалі подається назад в контур резервуара. Визначення напруги зворотного зв'язку є найважливішою частиною схеми, оскільки низька величина напруги зворотного зв'язку не активує коливання, тоді як висока величина напруги зворотного зв'язку призведе до руйнування вихідної синусоїди та спричинення спотворень.

Генератор Колпітта можна налаштувати, змінивши значення індуктивності та ємності. Існує два способи змусити генератор Колпітта працювати в конфігурації змінної настройки.

Перший спосіб - це зміни індуктивності як змінної індуктивності, а інший спосіб - зміни конденсаторів як змінної конденсаторної. У другому варіанті, оскільки напруга зворотного зв'язку сильно залежить від співвідношення С1 і С2, доцільно використовувати просту банду. Таким чином, коли змінюється один конденсатор, інший конденсатор також змінює свою ємність відповідно до нього.

Осцилятор Колпітта на основі операційних підсилювачів

На наведеному вище зображенні показана схема генератора Колпітта на основі операційного підсилювача. Операційний підсилювач знаходиться в режимі інвертування конфігурації. Резистори R1 і R2 використовуються для забезпечення необхідного зворотного зв'язку з операційним підсилювачем. Схема резервуара з'єднана разом з одним дроселем паралельно з двома послідовними конденсаторами. Вхід операційного підсилювача підключений до зворотного зв'язку ланцюга бака.

Робота така ж, як це обговорювалось у вищезазначеному транзисторному ланцюзі генератора Колпітта. Під час запуску операційний підсилювач підсилює шумовий сигнал, який відповідає за зарядку двох конденсаторів. Коефіцієнт підсилення генератора Колпітта на основі Op-amp вище, ніж генератор Колпітта на основі транзистора.

Різниця між осцилятором Колпітта та осцилятором Хартлі

Генератор Колпітса дуже схожий на осцилятор Хартлі, але між ними існує різниця у конструкції. Хоча ці два схеми генератора складаються з трьох компонентів у вигляді резервуарної схеми, але генератор Колпітса використовує один індуктор паралельно з двома конденсаторами послідовно, тоді як генератор Хартлі використовує прямо протилежні, один конденсатор паралельно з двома індукторами послідовно. Генератор Колпітта працює більш стабільно у високочастотній роботі, ніж генератор Хартлі.

Генератор Колпітса - чудовий вибір у високочастотній роботі. Він може виробляти вихідну частоту в мегагерцовому діапазоні, а також в кілогерцовому діапазоні.

Застосування схеми осцилятора Колпітта

1. Через труднощі з плавними варіаціями індуктивності та конденсатора, генератор Колпітса в основному використовується для генерації фіксованої частоти.

2. Основне використання генератора Колпітса в мобільних або інших пристроях зв'язку, керованих радіочастотою.

3. У високочастотних коливаннях осцилятор Колпіттса є прекрасним вибором. Таким чином, пристрої на основі високочастотних генераторів використовують генератор Колпітта.

4. У кількох додатках, де на додаток до термостабільності необхідні безперервні та приглушені коливання, використовується генератор Колпітта.

5. Для тих додатків, які потребують широкого діапазону частот з мінімальним індукованим шумом.

6. Багато типів датчиків на основі SAW використовують генератор Colpitts

7. У різних типах металошукачів використовується генератор Колпітта.

8. Радіочастотний передавач, пов'язаний з частотною модуляцією, використовує генератор Колпітта.

9. Він має величезне застосування у військовій та комерційній продукції.

10. У мікрохвильових програмах хаотичні схеми, пов'язані з маскуванням сигналу, також необхідні генератору Колпітта в різному діапазоні частот.