Осциллятор Колпитца

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

Конструкция генератора Колпитца использует два конденсатора с центральным выводом последовательно с параллельной индуктивностью для формирования резонансного контура, создающего синусоидальные колебания

Во многих отношениях генератор Колпитца является полной противоположностью генератору Хартли, который мы рассматривали в предыдущем уроке. Как и генератор Хартли, настроенный контур состоит из резонансной подсхемы LC, подключенной между коллектором и базой однокаскадного транзисторного усилителя, создающего синусоидальную выходную волну.

Базовая конфигурация генератора Колпитца напоминает конфигурацию генератора Хартли, но на этот раз отличие заключается в том, что центральный вывод контура теперь выполнен на стыке сети «емкостного делителя напряжения» вместо отводного индуктора автотрансформаторного типа, как в генераторе Хартли

Контур генератора Колпитца

Генератор Колпитца использует емкостную сеть делителя напряжения в качестве источника обратной связи. Два конденсатора, C1 и C2, размещены через одну общую катушку индуктивности, L, как показано на рисунке. Затем C1, C2 и L образуют настроенный контур с условием колебаний: XC1 + XC2 = XL, таким же, как для контура генератора Хартли.

Преимущество этого типа конфигурации емкостной цепи заключается в том, что при меньшей собственной и взаимной индуктивности в контуре улучшается стабильность частоты генератора, а также упрощается конструкция.

Как и генератор Хартли, генератор Колпитца использует однокаскадный биполярный транзисторный усилитель в качестве элемента усиления, который выдает синусоидальный выход. Рассмотрим схему ниже.

Базовая схема генератора Колпитца 

Эмиттерный вывод транзистора фактически подключен к соединению двух конденсаторов, C1 и C2, которые соединены последовательно и действуют как простой делитель напряжения. Когда питание подается впервые, конденсаторы C1 и C2 заряжаются, а затем разряжаются через катушку L. Колебания на конденсаторах прикладываются к соединению база-эмиттер и появляются в усиленном виде на выходе коллектора.

Резисторы R1 и R2 обеспечивают обычное стабилизирующее смещение постоянного тока для транзистора обычным образом, в то время как дополнительные конденсаторы действуют как блокирующие постоянный ток шунтирующие конденсаторы. Радиочастотный дроссель (RFC) используется в цепи коллектора для обеспечения высокого реактивного сопротивления (в идеале разомкнутая цепь) на частоте колебаний ( ƒr ) и низкого сопротивления на постоянном токе, чтобы помочь начать колебания.

Требуемый внешний сдвиг фазы получается аналогично тому, как это происходит в схеме генератора Хартли с требуемой положительной обратной связью, полученной для устойчивых незатухающих колебаний. Величина обратной связи определяется соотношением C1 и C2. Эти две емкости обычно «соединяются» вместе, чтобы обеспечить постоянную величину обратной связи, так что при настройке одной другая автоматически следует за ней. Частота колебаний для генератора Колпитца определяется резонансной частотой LC-контура и задается как:

где CT — емкость конденсаторов C1 и C2, соединенных последовательно, и определяется как:

Конфигурация транзисторного усилителя представляет собой усилитель с общим эмиттером с выходным сигналом, смещенным на 180o по фазе относительно входного сигнала. Дополнительный сдвиг фазы на 180o, необходимый для колебаний, достигается тем, что два конденсатора соединены вместе последовательно, но параллельно с индуктивной катушкой, в результате чего общий сдвиг фазы схемы равен нулю или 360o.

Величина обратной связи зависит от значений C1 и C2. Мы видим, что напряжение на C1 такое же, как выходное напряжение генератора, Vout, и что напряжение на C2 является напряжением обратной связи генератора. Тогда напряжение на C1 будет намного больше, чем на C2.

Следовательно, изменяя значения конденсаторов, C1 и C2, мы можем регулировать величину напряжения обратной связи, возвращаемого в контур. Однако большое количество обратной связи может привести к искажению выходной синусоиды, в то время как небольшое количество обратной связи может не позволить схеме колебаться.

Тогда величина обратной связи, вырабатываемая генератором Колпитца, основана на соотношении емкостей C1 и C2 и является тем, что управляет возбуждением генератора. Это соотношение называется «долей обратной связи» и задается просто как:

Пример урока №1

Схема генератора Колпитца, имеющая два конденсатора емкостью 24 нФ и 240 нФ соответственно, соединены параллельно с катушкой индуктивности 10 мГн. Определите частоту колебаний схемы, долю обратной связи и нарисуйте схему. Частота колебаний для генератора Колпитца определяется как:

Поскольку цепь Колпитца состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, общая емкость равна:

Частота колебаний для генератора Колпитца составляет, таким образом, 10,8 кГц, а доля обратной связи определяется как:

Схема генератора Колпитца

Генератор Колпитца с использованием операционного усилителя

Как и в предыдущем генераторе Хартли, а также при использовании биполярного транзистора (BJT) в качестве активного каскада генератора, мы также можем использовать операционный усилитель (ОУ). Работа генератора Колпитца на ОУ точно такая же, как и для транзисторной версии, с рабочей частотой, рассчитанной таким же образом. Рассмотрим схему ниже.

Схема операционного усилителя 

Обратите внимание, что, будучи конфигурацией инвертирующего усилителя, отношение R2/R1 устанавливает усиление усилителей. Минимальное усиление 2,9 требуется для запуска колебаний. Резистор R3 обеспечивает необходимую обратную связь с LC-контуром. Преимущества генератора Колпитца перед генераторами Хартли заключаются в том, что генератор Колпитца создает более чистую синусоидальную форму сигнала из-за низкоомных путей конденсаторов на высоких частотах. Также из-за этих свойств емкостного реактивного сопротивления генератор Колпитца на основе полевого транзистора может работать на очень высоких частотах. Конечно, любой операционный усилитель или полевой транзистор, используемый в качестве усилительного устройства, должен иметь возможность работать на требуемых высоких частотах.

Резюме осциллятора Колпитца

Итак, подведем итог: генератор Колпитца состоит из параллельного контура LC-резонатора, обратная связь которого достигается посредством емкостного делителя. Как и большинство схем генератора, генератор Колпитца существует в нескольких формах, наиболее распространенная из которых похожа на схему транзистора выше.

Центральный отвод подсхемы контура выполнен на стыке сети «емкостного делителя напряжения» для подачи части выходного сигнала обратно на эмиттер транзистора. Два последовательно соединенных конденсатора создают сдвиг фазы на 180 гр., который инвертируется еще на 180 гр., для создания необходимой положительной обратной связи. Частота колебаний, которая представляет собой более чистое синусоидальное напряжение, определяется резонансной частотой контура контура.

В следующем уроке об генераторах мы рассмотрим RC-генераторы, которые используют резисторы и конденсаторы в качестве контура для создания синусоидальной формы волны.