Colpitts-oszcillátor: Miben különbözik? (Áramkör-diagram és hogyan számoljuk ki a Colpitts-oszcillátor frekvenciáját)

Mi a Colpitts-oszcillátor?

A Colpitts-oszcillátor egy LC típusú oszcillátor. A Colpitts-oszcillátort Edwin H. Colpitts amerikai mérnök találta fel 1918-ban. Úgy, mint a többi LC oszcillátor, a Colpitts-oszcillátorok induktív (L) és kapacitív (C) elemek kombinációját használják adott frekvencián való rezgések előállítására. A Colpitts-oszcillátor megkülönböztető jellemvonása, hogy a visszacsatolás az aktív eszközre két sorosan kötött kapacitóról kerül a induktor felett.

Ez... kissé összetettnek tűnik.

Nézzük tehát egy Colpitts-oszcillátor áramkört, hogy értelmezzük, hogyan működik.

Colpitts-oszcillátor áramkör

1. ábra egy tipikus Colpitts-oszcillátort mutat tárolókörrel. Egy L induktív elemtől kezdve, két sorosan kötött C₁ és C₂ kapacitív elem (a piros keretben látható) párhuzamosan van csatlakoztatva (a piros keretben látható).

Az áramkör többi komponense megegyezik a közös emelt (CE) esetével, amelyet R_C kollektorellenállás, R_E emelterellenállás, valamint R₁ és R₂ feszültségosztó hálózattal stabilizáltak.

Továbbá, a C_i és C_o kapacitív elemek bemeneti és kimeneti szigetelőkapacitórok, míg a C_E emelterkapacitív elem a nagyolt AC jeleket kihagyja.

Amikor a tápegység bekapcsol, a tranzisztor kezd vezetni, növelve a kollektormerevszer I_C-t, ami miatt a C₁ és C₂ kapacitív elemek feltöltődnek. Amikor a maximális töltés elérhető, a kapacitív elemek kezdenek kiürülődni az L induktív elemen keresztül.

Ezen a folyamaton a kondenzátornak az elektrosztatikus energiája átalakul magnézis-fluxusszá, amelyet az induktív elem elektromágneses energiaként tárol.

Következőleg, az induktív elem kezdi kiürülődni, ami újra feltölti a kondenzátort. Ez a ciklus folytatódik, ami rezgésekhez vezet a tárolókörben.

Továbbá, az ábra azt mutatja, hogy a fokozó kimenete a C₁-en jelenik meg, így fázisban van a tárolókör feszültségével, és pótlja a vesztes energia részét újraszolgáltatással.

Másrészről, a visszacsatolás a tranzisztorhoz a C₂ kondenzátoron keresztül érhető el, ami azt jelenti, hogy a visszacsatolási jel 180°-kal fázisban van a tranzisztor feszültségével ellentétesen.

Ez azért van, mert a C₁ és C₂ kondenzátoron kialakuló feszültségek ellentétes polaritásúak, mivel a csatlakozási pontuk földbe van kapcsolva.

Továbbá, ezt a jelet a tranzisztor további 180° fáziseltolással látja el, ami 360°-os teljes fáziseltolást eredményez a hurok körül, amely a Barkhausen elv fázisfeltételeit teljesíti.

Colpitts-oszcillátor frekvenciája

Ebben a szakaszban az áramkör hatékonyan működhet oszcillátorul, ha a visszacsatolási arányt (C₁ / C₂) alaposan figyelembe veszik. A Colpitts-oszcillátor frekvenciája a tárolókör komponenseitől függ, és a következő képlet szerint számítható:

Ahol a C_eff a kapacitív elemek hatásos kapacitása, amely a következő képlettel fejezhető ki:

Így, ezek az oszcillátorok vagy a induktivitásuk, vagy a kapacitivitásuk változtatásával hangolhatók. Azonban az L változtatása nem ad simán változó frekvenciát.

Ezért általában a kapacitivitás változtatásával hangolják őket, mivel a kapacitív elemek általában egymással párosítottak, így a változás mindkettőjén is megmutatkozik. Ennek ellenére, a folyamat időigényes, és speciális, nagy értékű kondenzátorra van szükség.

Így, a Colpitts-oszcillátorok ritkán használatosak olyan alkalmazásokban, ahol a frekvencia változik, de népszerűbbek fix frekvenciájú oszcillátorokként, mivel egyszerűbbek a tervezésben.

Továbbá, jobb stabilitást biztosítanak, mint a Hartley-oszcillátorok, mivel nem befolyásolják őket a két induktív elem közötti kölcsönös induktivitás hatása.

A BJT-alapú Colpitts-oszcillátor mellett, őket operációs erősítővel, FET-el, vagy vakuumrobbanóval is megvalósíthatják.

2. ábra egy olyan Colpitts-oszcillátort mutat, amely operációs erősítőt használ inverziós konfigurációban, míg a tárolókör hasonló ahhoz, amit az 1. ábrán