Colpitts-oscillator

Een oscillator is een mechanische of elektronische constructie die oscillatie produceert afhankelijk van enkele variabelen. We hebben allemaal apparaten die oscillatoren nodig hebben, zoals een traditionele klok of een polshorloge. Verschillende soorten metaaldetectoren, computers waar microcontrollers en microprocessors bij betrokken zijn, gebruiken oscillatoren, met name elektronische oscillatoren die periodieke signalen produceren. We hebben in onze vorige tutorials enkele oscillatoren besproken:

• RC-faseverschuivingsoscillator
• Wein Bridge-oscillator
• Kwarts Kristaloscillator
• Faseverschuivingsoscillatorcircuit
• Spanningsgestuurde oscillator (VCO)

De Colpitts-oscillator is uitgevonden door de Amerikaanse ingenieur Edwin H. Colpitts in 1918. De Colpitts-oscillator werkt met een combinatie van inductoren en condensatoren door een LC-filter te vormen. Hetzelfde als andere oscillatoren Colpitts oscillator bestaat uit een versterkingsapparaat en de uitgang is verbonden met een LC-circuit-feedbacklus. De Colpitts-oscillator is een lineaire oscillator die een sinusvormige golfvorm produceert.

Het tankcircuit

Het belangrijkste oscillatieapparaat in de Colpitts-oscillator wordt gemaakt met behulp van het tankcircuit. Het tankcircuit bestaat uit drie componenten: een inductor en twee condensatoren. Twee condensatoren zijn in serie geschakeld en deze condensatoren zijn verder parallel geschakeld met een inductor.

In de bovenstaande afbeelding worden drie componenten van het tankcircuit getoond met de juiste aansluitingen. Het proces begint met het opladen van twee condensatoren C1 en C2. Vervolgens ontladen deze twee seriecondensatoren zich in het tankcircuit in de parallelle inductor L1 en wordt de opgeslagen energie in de condensator overgedragen naar de inductor. Door de parallel geschakelde condensator wordt de inductor nu ontladen door de twee condensatoren en beginnen de condensatoren weer op te laden. Dit opladen en ontladen in beide componenten gaat door en levert dus een oscillatiesignaal erover.

De oscillatie is sterk afhankelijk van de condensatoren en de waarde van de inductor. Onderstaande formule is om de oscillatiefrequentie te bepalen:

F = 1 / 2π√LC

waar F de frequentie is en L de inductor is, is C de totale equivalente capaciteit.

De equivalente capaciteit van de twee condensatoren kan worden bepaald met

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

Tijdens deze oscillatiefase in het tankcircuit treedt enig energieverlies op. Om deze verloren energie te compenseren en de oscillatie in het tankcircuit te behouden, is een versterkingsapparaat vereist. Er zijn veel verschillende soorten gain-apparaten die worden gebruikt om het energieverlies in het tankcircuit te compenseren. De meest voorkomende versterkingsapparaten zijn transistors en operationele versterkers.

Op transistors gebaseerde Colpitts-oscillator

In de bovenstaande afbeelding wordt de op transistor gebaseerde Colpitts-oscillator getoond waarbij de belangrijkste versterkingsinrichting van de oscillator een NPN-transistor T1 is.

In het circuit zijn weerstand R1 en R2 nodig voor de basisspanning. Deze twee weerstanden worden gebruikt om een ​​spanningsdeler te maken over de basis van transistor T1. Weerstand R3 wordt gebruikt als emitterweerstand. Deze weerstand is erg handig om het versterkingsapparaat stabiel te houden tijdens de thermische drift. De condensator C3 wordt gebruikt als emitter-bypasscondensator die parallel is geschakeld met de weerstand R3. Als we deze C3-condensator verwijderen, wordt het versterkte AC-signaal over weerstand R3 gedumpt en resulteert dit in een slechte versterking. De condensator C3 is dus een gemakkelijk pad voor het versterkte signaal. De feedback van het tankcircuit wordt verder verbonden met behulp van de C4 naar de basis van de transistor T1.

De oscillatie van de op een transistor gebaseerde Colpitts-oscillatorschakeling is afhankelijk van de faseverschuiving. Dit staat bekend als het barkhausen-criterium voor de oscillator. Volgens het Barkhausen-criterium moet de lusversterking iets groter zijn dan de eenheid en moet de faseverschuiving rond de lus 360 graden of 0 graden zijn. Dus in dit geval heeft het totale circuit 0 graden of 360 graden faseverschuiving nodig om de oscillatie over de uitgang te bieden. De transistorconfiguratie als gemeenschappelijke emitter zorgt voor een faseverschuiving van 180 graden, terwijl het tankcircuit ook een extra faseverschuiving van 180 graden levert. Door deze tweefaseverschuivingen te combineren, bereikt het totale circuit een faseverschuiving van 360 graden die verantwoordelijk is voor de oscillatie.

De feedback kan worden geregeld met behulp van de twee condensatoren C1 en C2. Deze twee condensatoren zijn in serie geschakeld en de kruising is verder verbonden met de voedingsaarde. De spanning over C1 is veel groter dan de spanning over C2. Door die twee condensatorwaarden te veranderen, kunnen we de feedbackspanning regelen die verder wordt teruggevoerd naar het tankcircuit. De bepaling van de terugkoppelspanning is een cruciaal onderdeel van de schakeling omdat de lage hoeveelheid terugkoppelspanning de oscillatie niet zou activeren, terwijl een hoge hoeveelheid terugkoppelspanning uiteindelijk de uitgangssinusgolf vernietigt en vervorming veroorzaakt.

De Colpitts-oscillator kan worden afgestemd door de waarde van inductantie en capaciteit te wijzigen. Er zijn twee manieren om de Colpitts-oscillator te laten werken in een configuratie met variabele afstemming.

De eerste manier is om de inductor te veranderen als een variabele inductor en de andere manier is om de condensatoren te veranderen als een variabele condensator. In de tweede optie, aangezien de terugkoppelspanning in hoge mate afhankelijk is van de verhouding tussen C1 en C2, is het raadzaam om een ​​eenvoudig stel te gebruiken. Zodat wanneer er variatie is in de ene condensator, de andere condensator ook zijn capaciteit in overeenstemming daarmee verandert.

Op-Amp gebaseerde Colpitts-oscillator

In de bovenstaande afbeelding wordt een op-amp-gebaseerd Colpitts-oscillatorcircuit getoond. De operationele versterker bevindt zich in inverterende configuratiemodus. Weerstanden R1 en R2 worden gebruikt om de nodige feedback te geven aan de operationele versterker. Het tankcircuit is parallel verbonden met de enkele inductor met twee seriële condensatoren. De ingang van de operationele versterker is verbonden met de feedback van het tankcircuit.

De werking is hetzelfde als besproken in het bovenstaande op transistor gebaseerde Colpitts-oscillatorcircuit. Tijdens het opstarten versterkt de op-amp het ruissignaal dat verantwoordelijk is voor het opladen van twee condensatoren. De winst van de op-amp-gebaseerde Colpitts-oscillator is hoger dan de op transistor gebaseerde Colpitts-oscillator.

Verschil tussen Colpitts-oscillator en Hartley-oscillator

De Colpitts-oscillator lijkt erg op de Hartley-oscillator, maar er is een verschil in constructie tussen deze twee. Hoewel deze twee oscillatorcircuits bestaan ​​uit drie componenten als een tankcircuit, gebruikt de Colpitts-oscillator een enkele inductor parallel met twee condensatoren in serie, terwijl de Hartley-oscillator precies het tegenovergestelde gebruikt, één enkele condensator parallel met twee inductoren in serie. Colpitts-oscillator presteert stabieler in hoogfrequente werking dan de Hartley-oscillator.

De Colpitts-oscillator is een uitstekende keuze bij hoogfrequent gebruik. Het kan een uitgangsfrequentie produceren in het Megahertz-bereik en in het Kilohertz-bereik.

Toepassing van Colpitts-oscillatorcircuit

1. Vanwege de moeilijkheden bij een soepele variatie van inductor en condensator, wordt de Colpitts-oscillator voornamelijk gebruikt voor het genereren van vaste frequenties.

2. Het belangrijkste gebruik van de Colpitts-oscillator is in mobiele of andere radiofrequentiegestuurde communicatieapparatuur.

3. Bij hoogfrequente oscillatie is de Colpitts-oscillator een uitstekende keuze. Apparaten met een hoge frequentie-oscillator gebruiken dus Colpitts-oscillator.

4. In een paar toepassingen waar continue en ongedempte oscillatie nodig is naast thermische stabiliteit, wordt Colpitts Oscillator gebruikt.

5. Voor die toepassingen die een breed frequentiebereik nodig hebben met minimale ruis.

6. Veel soorten op SAW gebaseerde sensoren gebruiken de Colpitts-oscillator

7. Verschillende soorten metaaldetectoren gebruiken de Colpitts-oscillator.

8. Frequentiemodulatie gerelateerde radiofrequentie zender gebruikt Colpitts oscillator.

9. Het heeft een enorme toepassing in producten van militaire en commerciële kwaliteit.

10. In microgolftoepassingen zijn chaotische circuits die verband houden met signaalmaskering ook vereist. Colpitts-oscillator in het verschillende frequentiebereik.