Осцилятор Колпітца

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

Конструкція генератора Колпітца використовує два конденсатори з центральним виведенням послідовно з паралельною індуктивністю для формування резонансного контуру, що створює синусоїдальні коливання.

Багато в чому генератор Колпітца є повною протилежністю генератору Хартлі, який ми розглядали в попередньому уроці. Як і генератор Хартлі, контур складається з резонансної підсхеми LC, підключеної між колектором і базою однокаскадного транзисторного підсилювача, що створює синусоїдальну вихідну хвилю.

Базова конфігурація генератора Колпітца нагадує конфігурацію генератора Хартлі, але цього разу відмінність полягає в тому, що центральний вивід контуру тепер виконаний на стику мережі «ємного дільника напруги» замість відвідного індуктора автотрансформаторного типу, як у генераторі Хартлі

Контур генератора Колпітца

Генератор Колпітца використовує ємнісну мережу дільника напруги як джерело зворотного зв'язку. Два конденсатори, C1 і C2, розміщені через одну загальну котушку індуктивності L, як показано на малюнку. Потім C1, C2 і L утворюють налаштований контур з умовою коливань: XC1 + XC2 = XL, так само, як для контуру генератора Хартлі.

Перевага цього типу конфігурації ємнісного ланцюга полягає в тому, що при меншій власній та взаємній індуктивності в контурі покращується стабільність частоти генератора, а також спрощується конструкція.

Як і генератор Хартлі, генератор Колпітца використовує однокаскадний біполярний транзисторний підсилювач як елемент посилення, який видає синусоїдальний вихід. Розглянемо схему нижче.

Базова схема генератора Колпітця

Емітерний висновок транзистора фактично підключений до з'єднання двох конденсаторів, C1 і C2, які послідовно з'єднані і діють як простий дільник напруги. Коли живлення подається вперше, конденсатори C1 і C2 заряджаються, а потім розряджаються через котушку L. Коливання на конденсаторах прикладаються до з'єднання база-емітер і з'являються у посиленому вигляді на виході колектора.

Резистори R1 і R2 забезпечують звичайне стабілізуюче зміщення постійного струму для транзистора звичайним чином, в той час як додаткові конденсатори діють як шунтуючі конденсатори, що блокують постійний струм. Радіочастотний дросель (RFC) використовується в колі колектора для забезпечення високого реактивного опору (в ідеалі розімкнений ланцюг) на частоті коливань ( ƒr ) і низького опору на постійному струмі, щоб допомогти почати коливання.

Необхідний зовнішній зсув фази виходить аналогічно тому, як це відбувається в схемі генератора Хартлі з необхідною позитивною зворотним зв'язком, отриманої для стійких коливань, що незатухають. Величина зворотного зв'язку визначається співвідношенням C1 та C2. Ці дві ємності зазвичай «з'єднуються» разом, щоб забезпечити постійну величину зворотного зв'язку, так що при налаштуванні однієї інша автоматично слідує за нею. Частота коливань для генератора Колпітца визначається резонансною частотою LC-контуру і визначається як:

де CT - ємність конденсаторів C1 і C2, з'єднаних послідовно, і визначається як:

Конфігурація транзисторного підсилювача є підсилювач із загальним емітером з вихідним сигналом, зміщеним на 180o по фазі щодо вхідного сигналу. Додатковий зсув фази на 180o, необхідний для коливань, досягається тим, що два конденсатори з'єднані разом послідовно, але паралельно з індуктивною котушкою, в результаті чого загальний зсув фази схеми дорівнює нулю або 360o.

Величина зворотного зв'язку залежить від значень C1 та C2. Ми бачимо, що напруга на C1 така сама, як вихідна напруга генератора, Vout, і що напруга на C2 є напругою зворотного зв'язку генератора. Тоді напруга на C1 буде набагато більшою, ніж на C2.

Отже, змінюючи значення конденсаторів, C1 і C2, ми можемо регулювати величину напруги зворотного зв'язку, що повертається до контуру. Однак велика кількість зворотного зв'язку може призвести до спотворення вихідної синусоїди, в той час, як невелика кількість зворотного зв'язку може не дозволити схемі коливатися.

Тоді величина зворотного зв'язку, що виробляється генератором Колпітца, заснована на співвідношенні ємностей C1 і C2 і є тим, що управляє збудженням генератора. Це співвідношення називається «часткою зворотного зв'язку» і задається просто як:

Приклад уроку №1

Схема генератора Колпітца, що має два конденсатори ємністю 24 нФ і 240 нФ відповідно, з'єднані паралельно з котушкою індуктивності 10 мГн. Визначте частоту коливань схеми, частку зворотний зв'язок і намалюйте схему. Частота коливань для генератора Колпітца визначається як:

Оскільки ланцюг Колпітца складається з двох послідовно з'єднаних конденсаторів, загальна ємність дорівнює:

Індуктивність індуктора дорівнює 10 мГн, тоді частота коливань дорівнює:

Частота коливань для генератора Колпітца становить таким чином 10,8 кГц, а частка зворотного зв'язку визначається як:

Схема генератора Колпітца

Генератор Колпітца з використанням операційного підсилювача

Як і в попередньому генераторі Хартлі, а також при використанні біполярного транзистора (BJT) як активний каскад генератора, ми також можемо використовувати операційний підсилювач (ОУ). Робота генератора Колпітца на ОУ така ж, як і для транзисторної версії, з робочою частотою, розрахованою таким же чином. Розглянемо схему нижче.

Схема операційного підсилювача

Зверніть увагу, що, будучи конфігурацією підсилювача інвертування, відношення R2/R1 встановлює посилення підсилювачів. Мінімальне посилення 2,9 потрібне для запуску коливань. Резистор R3 забезпечує необхідний зворотний зв'язок із LC-контуром. Переваги генератора Колпітца перед генераторами Хартлі полягають у тому, що генератор Колпітца створює більш чисту синусоїдальну форму сигналу через низькоомні шляхи конденсаторів на високих частотах. Також через ці властивості ємнісного реактивного опору генератор Колпітца на основі польового транзистора може працювати на дуже високих частотах. Звичайно, будь-який операційний підсилювач або польовий транзистор, що використовується як підсилювальний пристрій, повинен мати можливість працювати на необхідних високих частотах.

Резюме осцилятора Колпітца

Отже, підіб'ємо підсумок: генератор Колпітца складається з паралельного контуру LC-резонатора, зворотний зв'язок якого досягається за допомогою ємнісного дільника. Як і більшість схем генератора, генератор Колпітца існує в декількох формах, найбільш поширена з яких схожа на схему транзистора вище.

Центральне відведення підсхеми контуру виконано на стику мережі «ємнісного дільника напруги» для подачі частини вихідного сигналу назад на емітер транзистора. Два послідовно з'єднані конденсатори створюють зсув фази на 180 гр., що інвертується ще на 180 гр., для створення необхідного позитивного зворотного зв'язку. Частота коливань, яка є більш чистою синусоїдальною напругою, визначається резонансною частотою контуру контуру.

У наступному уроці про генератори ми розглянемо RC-генератори, які використовують резистори та конденсатори як контур для створення синусоїдальної форми хвилі.