Colpitts oscillator

En oscillator är en mekanisk eller elektronisk konstruktion som producerar oscillation beroende på få variabler. Vi har alla enheter som behöver oscillatorer som en traditionell klocka eller ett armbandsur. Olika typer av metalldetektorer, datorer där mikrokontroller och mikroprocessorer är involverade använder oscillatorer, särskilt elektronikoscillator som producerar periodiska signaler. Vi diskuterade några oscillatorer i våra tidigare självstudier:

• RC Phase Shift Oscillator
• Wein Bridge Oscillator
• Quartz Crystal Oscillator
• Fasskift Oscillatorkrets
• Spänningsstyrd oscillator (VCO)

Den Colpitts-oscillator uppfanns av amerikansk ingenjör Edwin H. Colpitts 1918. Colpitts-oscillator arbetar med en kombination av induktorer och kondensatorer genom att bilda en LC-filter. Samma som andra oscillatorer Colpitts oscillator består av en förstärkningsanordning och utgången är ansluten med en återkopplingsslinga för LC-krets. Colpitts-oscillatorn är en linjär oscillator som ger en sinusformad vågform.

Tankkretsen

Huvudoscillationsanordningen i Colpitts oscillator skapas med hjälp av tankkretsen. Den tankkrets består av tre komponenter- en induktor och två kondensatorer. Två kondensatorer är anslutna i serie, och dessa kondensatorer är ytterligare anslutna parallellt med induktorn.

I bilden ovan visas tre komponenter i tankkretsen med korrekta anslutningar. Processen börjar med laddning av två kondensatorer C1 och C2. Sedan inuti tankkretsen laddar dessa två seriekondensatorer ut i den parallella induktorn L1 och den lagrade energin i kondensatorn överförs till induktorn. På grund av att kondensatorn är ansluten parallellt börjar induktorn nu ur de två kondensatorerna och kondensatorerna laddas igen. Dessa laddningar och urladdningar i båda komponenterna fortsätter och ger därmed en svängningssignal över den.

Svängningen beror mycket på kondensatorerna och induktansvärdet. Nedanstående formel är att bestämma svängningsfrekvensen:

F = 1 / 2π√LC

där F är frekvens och L är induktor, är C den totala ekvivalenta kapacitansen.

Motsvarande kapacitans för de två kondensatorerna kan bestämmas med hjälp av

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

Under denna svängningsfas i tankkretsen inträffar viss energiförlust. För att kompensera denna förlorade energi och för att upprätthålla svängningen inuti tankkretsen krävs en förstärkningsanordning. Det finns många olika typer av förstärkningsanordningar som används för att kompensera förlusten av energi inuti tankkretsen. De vanligaste förstärkningsanordningarna är transistorer och operationsförstärkare.

Transistorer baserade kolpittsoscillatorer

I bilden ovan visas den transistorbaserade Colpitts-oscillatorn där oscillatorns huvudförstärkningsanordning är en NPN-transistor T1.

I kretsen krävs motstånd R1 och R2 för basspänningen. Dessa två motstånd används för att skapa en spänningsdelare över Transistor T1-basen. Motstånd R3 används som emittermotstånd. Detta motstånd är mycket användbart för att stabilisera förstärkningsanordningen under termisk drift. Den kondensator C3 används som en emitter shuntkondensator som är parallellkopplad med motståndet R3. Om vi ​​tar bort denna C3-kondensator kommer den förstärkta växelsignalen att dumpas över motståndet R3 och resulterar i en dålig förstärkning. Således tillhandahåller kondensatorn C3 en lätt väg för den förstärkta signalen. Återkopplingen från tankkretsen är vidare ansluten med C4 till transistorns T1-bas.

Svängningen av den transistorbaserade Colpitts-oscillatorkretsen beror på fasförskjutningen. Detta är välkänt som barkhausen-kriterium för oscillatorn. Enligt Barkhausen-kriteriet bör slingförstärkningen vara något större än enheten och fasförskjutningen runt slingan måste vara 360 grader eller 0 grader. Så under detta fall, för att ge oscillationen över utgången, behöver den totala kretsen 0 grader eller 360 graders fasförskjutning. Transistorkonfigurationen som vanlig emitter ger 180-graders fasförskjutning medan tankkretsen också bidrar med ytterligare 180-graders fasförskjutning. Genom att kombinera denna tvåfasförskjutning uppnår den totala kretsen 360-graders fasförskjutning som är ansvarig för svängningen.

Återkopplingen kan styras med de två kondensatorerna C1 och C2. Dessa två kondensatorer är seriekopplade och korsningen är vidare ansluten till matningsjorden. Spänningen över C1 är mycket större än spänningen över C2. Genom att ändra dessa två kondensatorvärden kan vi styra återkopplingsspänningen som matas tillbaka till tankkretsen. Bestämningen av återkopplingsspänningen är en avgörande del av kretsarna eftersom den låga mängden återkopplingsspänning inte skulle aktivera svängningen medan en hög mängd återkopplingsspänning kommer att sluta förstöra utgångens sinusvåg och inducera distorsion.

Colpitts-oscillatorn kan ställas in genom att ändra värdet på induktans och kapacitans. Det finns två sätt att få Colpitts-oscillatorn att fungera i en konfiguration med variabel inställning.

Det första sättet är att ändra induktorn som en variabel induktor och det andra sättet är att ändra kondensatorerna som en variabel kondensator. I det andra alternativet, eftersom återkopplingsspänningen är mycket pålitlig på förhållandet mellan C1 och C2, är det lämpligt att använda ett enkelt gäng. Så att när det finns variation i en kondensator ändrar den andra kondensatorn dess kapacitans i enlighet med den.

Op-Amp-baserade Colpitts-oscillatorer

I ovanstående bild visas en amp-baserad Colpitts-oscillatorkrets. Operationsförstärkaren är i inverterande konfigurationsläge. Motstånd R1 och R2 används för att ge nödvändig återkoppling till operationsförstärkaren. Tankkretsen är ansluten tillsammans med den enda induktorn parallellt med två seriekondensatorer. Ingången till operationsförstärkaren är ansluten till tankkretsens återkoppling.

Arbetet är detsamma som diskuteras i ovanstående transistorbaserade Colpitts-oscillatorkrets. Under start förstärker op-förstärkaren brussignalen som är ansvarig för att ladda två kondensatorer. Den vinst på Op-amp baserade Colpitts Oscillator är högre än Transistor baserade Colpitts oscillator.

Skillnad mellan Colpitts Oscillator och Hartley Oscillator

Colpitts-oscillatorn liknar mycket Hartley-oscillatorn men det finns en skillnad i konstruktion mellan dessa två. Även om dessa två oscillatorkretsar består av tre komponenter som en tankkrets men Colpitts-oscillatorn använder en enda induktor parallellt med två kondensatorer i serie medan Hartley-oscillatorn använder exakt motsatt, en enda kondensator parallellt med två induktorer i serie. Colpitts oscillator fungerar mer stabilt vid högfrekvent drift än Hartley Oscillator.

Colpitts-oscillatorn är ett utmärkt val för högfrekvent drift. Det kan producera utfrekvens i Megahertz-intervall såväl som i Kilohertz-intervall.

Tillämpning av Colpitts Oscillator Circuit

1. På grund av svårigheterna med en smidig variation av induktor och kondensator används Colpitts-oscillatorn huvudsakligen för generering av fast frekvens.

2. Huvudanvändningen av Colpitts-oscillatorn är i mobila eller andra radiofrekvenskontrollerade kommunikationsenheter.

3. Vid högfrekvent svängning är Colpitts-oscillator ett utmärkt val. Således använder högfrekventa oscillatorbaserade enheter Colpitts Oscillator.

4. I några få applikationer där kontinuerlig och oavdämpad svängning behövs förutom med termisk stabilitet används Colpitts Oscillator.

5. För de applikationer som behöver ett brett spektrum av frekvenser med minimalt brusinducerat.

6. Många typer av SAW-baserade sensorer använder Colpitts-oscillator

7. Olika typer av metalldetektorer använder Colpitts-oscillatorn.

8. Frekvensmoduleringsrelaterad radiofrekvenssändare använder Colpitts-oscillator.

9. Den har en enorm tillämpning inom militära och kommersiella produkter.

10. I mikrovågstillämpningar krävs också signalmaskeringsrelaterade kaotiska kretsar. Colpitts-oscillator inom olika frekvensintervall.