Colpittův oscilátor: Co to je? (Circuit Diagram & Jak vypočítat frekvenci Colpittova oscilátoru)

Co je Colpittův oscilátor?

Colpittův oscilátor je typ LC oscilátoru. Colpittsovy oscilátory byly vynalezeny americkým inženýrem Edwinem H. Colpittem v roce 1918. Podobně jako jiné LC oscilátory, Colpittsovy oscilátory používají kombinaci cívek (L) a kondenzátorů (C) k vytvoření oscilace na určité frekvenci. Charakteristickou vlastností Colpittsova oscilátoru je, že zpětná vazba pro aktivní součást je odvozena z děliče napětí tvořeného dvěma sériově spojenými kondenzátory napříč cívkou.

To zní... docela matoucí.

Podívejme se tedy na obvod Colpittsova oscilátoru, abychom pochopili, jak to funguje.

Obvod Colpittsova oscilátoru

Obrázek 1 ukazuje typický Colpittův oscilátor s rezonančním obvodem. Cívka L je připojena paralelně k sériovému spojení kondenzátorů C1 a C2 (označeno červeným obdélníkem).

Ostatní komponenty v obvodu jsou stejné jako u běžného emitorového zapojení (CE), které je polarizováno pomocí děliče napětí, tedy R_C je sběrný odpor, R_E je emitorový odpor použitý k stabilizaci obvodu, a odpory R₁ a R₂ tvoří dělič napětí.

Dále jsou kondenzátory Ci a Co vstupní a výstupní dekuplážní kondenzátory, zatímco emitorový kondenzátor CE slouží k obejití zesílených AC signálů.

Když je napájecí zdroj zapnut, tranzistor začne vodiť, což způsobí nárůst sběrného proudu IC, díky čemuž se kondenzátory C1 a C2 nabijí. Po dosažení maximální možné nabíje se začnou vybíjet přes cívku L.

Během tohoto procesu je elektrická energie uložená v kondenzátoru převedena na magnetický tok, který je uložen v cívkách ve formě elektromagnetické energie.

Následně začne cívka vybíjet, což opět nabije kondenzátory. Tento cyklus se opakuje, což vede k vzniku oscilací v rezonančním obvodu.

Dále ukazuje obrázek, že výstup zesilovače se objevuje napříč C1 a je tedy v fázi s napětím rezonančního obvodu a dodává energii, kterou obvod ztrácí.

Na druhou stranu je zpětná vazba na tranzistor získána napříč kondenzátorem C2, což znamená, že signál zpětné vazby je o 180° mimo fázi s napětím na tranzistoru.

Je to proto, že napětí vyvinuté napříč kondenzátory C1 a C2 jsou opačné v polaritě, protože bod, kde se spojují, je připojen k zemi.

Dále je tento signál poskytnut s dodatečným fázovým posunem 180° tranzistorem, což vede k celkovému fázovému posunu 360° okolo smyčky, což splňuje fázový posun podle principu Barkhausena.

Frekvence Colpittsova oscilátoru

V této fázi může obvod efektivně fungovat jako oscilátor produkuje udržitelné oscilace pečlivým sledováním poměru zpětné vazby dané (C1 / C2). Frekvence takového Colpittsova oscilátoru závisí na komponentech v jeho rezonančním obvodu a je dána

Kde C_eff je efektivní kapacita kondenzátorů vyjádřená jako

Jako výsledek, tyto oscilátory lze naladit buď změnou jejich induktance nebo kapacity. Nicméně, variace L nezpůsobuje hladkou variaci.

Proto jsou obvykle naladěny změnou kapacit, které jsou obvykle spojeny, takže změna jedné z nich změní obě. Nicméně, tento proces je náročný a vyžaduje speciální kondenzátor s velkou hodnotou.

Tedy, Colpittsovy oscilátory jsou zřídka preferovány v aplikacích, kde se frekvence mění, ale jsou populárnější jako oscilátory s pevnou frekvencí kvůli své jednoduché konstrukci.

Dále nabízejí lepší stabilitu než Hartleyho oscilátory, protože jsou osvobozeny od efektu vzájemné induktance mezi dvěma cívkami v tomto případě.

Kromě BJT-based Colpittsova oscilátoru zobrazeného, jsou také realizovatelné pomocí ventilů nebo FET (Field Effect Transistor) nebo Op-Amp.

Obrázek 2 ukazuje takový Colpittův oscilátor, který používá Op-Amp v inverzním zapojení v části zesilovače. Zároveň rezonanční obvod zůstává podobný tomu, jaký je u obrázku 1.

Tento typ ob