Colpitts-Oszillator: Was ist das? (Schaltbild & Wie man die Frequenz des Colpitts-Oszillators berechnet)

Was ist ein Colpitts-Oszillator?

Ein Colpitts-Oszillator ist eine Art LC Oszillator. Colpitts-Oszillatoren wurden 1918 vom amerikanischen Ingenieur Edwin H. Colpitts erfunden. Wie andere LC-Oszillatoren verwenden Colpitts-Oszillatoren eine Kombination aus Spulen (L) und Kondensatoren (C), um eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen. Das unterscheidende Merkmal des Colpitts-Oszillators besteht darin, dass die Rückkopplung für das aktive Bauteil von einem Spannungsteiler gebildet wird, der aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren über der Spule liegt.

Das klingt... ziemlich verwirrend.

Betrachten wir also einen Colpitts-Oszillator-Schaltkreis, um zu verstehen, wie dies funktioniert.

Colpitts-Oszillator-Schaltkreis

Abbildung 1 zeigt einen typischen Colpitts-Oszillator mit einem Tank-Schaltkreis. Eine Spule L ist parallel zur seriellen Verbindung der Kondensatoren C1 und C2 (dargestellt durch den roten Bereich) angeschlossen.

Die anderen Komponenten im Schaltkreis sind dieselben, die man bei einem Emitterfolgerschaltung (CE) findet, die mit einem Spannungsteiler-Netzwerk vorspannungsversorgt wird, d.h., RC ist der Kollektorwiderstand, RE ist der Emitterwiderstand, der zum Stabilisieren des Schaltkreises verwendet wird, und die Widerstände R1 und R2 bilden das Spannungsteiler-Vorspannungsnetzwerk.

Weiterhin sind die Kondensatoren Ci und Co die Eingangs- und Ausgangsentkopplungskondensatoren, während der Emitterkondensator CE als Bypass-Kondensator verwendet wird, um die verstärkten Wechselspannungen abzuleiten.

Sobald die Stromversorgung eingeschaltet wird, beginnt der Transistor zu leiten, wodurch der Kollektorstrom IC zunimmt, was dazu führt, dass die Kondensatoren C1 und C2 geladen werden. Nachdem sie die maximal mögliche Ladung erreicht haben, entladen sie sich über die Spule L.

Während dieses Prozesses wird die elektrostatische Energie, die in den Kondensatoren gespeichert ist, in magnetische Flussdichte umgewandelt, die in Form elektromagnetischer Energie in der Spule gespeichert wird.

Als nächstes beginnt die Spule, sich zu entladen, was die Kondensatoren erneut lädt. Auf diese Weise setzt sich der Kreislauf fort, was zu Schwingungen im Tank-Schaltkreis führt.

Darüber hinaus zeigt die Abbildung, dass die Ausgabe des Verstärkers über C1 erscheint und somit in Phase mit der Spannung des Tank-Schaltkreises steht und den verlorenen Energieanteil wieder aufnimmt, indem es ihn nachliefert.

Andererseits wird die Rückkopplungsspannung zum Transistor über den Kondensator C2 erhalten, was bedeutet, dass das Rückkopplungssignal gegenüber der Spannung am Transistor um 180° phasenverschoben ist.

Dies liegt daran, dass die an den Kondensatoren C1 und C2 entstehenden Spannungen entgegengesetzt polarisiert sind, da der Punkt, an dem sie verbunden sind, geerdet ist.

Dieses Signal erhält dann durch den Transistor eine zusätzliche Phasenverschiebung von 180°, was zu einer Gesamtphasenverschiebung von 360° im Kreislauf führt und das Phasenverschiebungskriterium des Barkhausen-Prinzips erfüllt.

Colpitts-Oszillator-Frequenz

In diesem Stadium kann der Schaltkreis effektiv als Oszillator fungieren, der durch sorgfältige Überwachung des Rückkopplungsverhältnisses, gegeben durch (C1 / C2), nachhaltige Schwingungen erzeugt. Die Frequenz eines solchen Colpitts-Oszillators hängt von den Komponenten in seinem Tank-Schaltkreis ab und wird durch

gegeben, wobei C