Colpitts Oszillator

Ein Oszillator ist eine mechanische oder elektronische Konstruktion, die in Abhängigkeit von wenigen Variablen eine Schwingung erzeugt. Wir haben alle Geräte, die Oszillatoren wie eine herkömmliche Uhr oder eine Armbanduhr benötigen. Verschiedene Arten von Metalldetektoren, Computer, an denen Mikrocontroller und Mikroprozessoren beteiligt sind, verwenden Oszillatoren, insbesondere Elektronikoszillatoren, die periodische Signale erzeugen. In unseren vorherigen Tutorials haben wir einige Oszillatoren besprochen:

• RC-Phasenverschiebungsoszillator
• Weinbrückenoszillator
• Quarzkristalloszillator
• Phasenverschiebungsoszillatorschaltung
• Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)

Der Colpitts-Oszillator wurde 1918 vom amerikanischen Ingenieur Edwin H. Colpitts erfunden. Der Colpitts-Oszillator arbeitet mit einer Kombination aus Induktivitäten und Kondensatoren, indem er ein LC-Filter bildet. Wie andere Oszillatoren besteht auch der Colpitts-Oszillator aus einer Verstärkungsvorrichtung, und der Ausgang ist mit einer Rückkopplungsschleife der LC-Schaltung verbunden. Der Colpitts-Oszillator ist ein linearer Oszillator, der eine sinusförmige Wellenform erzeugt.

Der Tankkreis

Das Hauptoszillationsgerät im Colpitts-Oszillator wird unter Verwendung des Tankkreises erzeugt. Der Tankkreis besteht aus drei Komponenten - einer Induktivität und zwei Kondensatoren. Zwei Kondensatoren sind in Reihe geschaltet, und diese Kondensatoren sind ferner parallel zur Induktivität geschaltet.

In der obigen Abbildung sind drei Komponenten des Tankkreislaufs mit den richtigen Verbindungen dargestellt. Der Prozess beginnt mit dem Laden von zwei Kondensatoren C1 und C2. Dann entladen sich diese beiden Reihenkondensatoren innerhalb des Tankkreises in den Parallelinduktor L1 und die im Kondensator gespeicherte Energie wird auf den Induktor übertragen. Aufgrund des parallel geschalteten Kondensators wird der Induktor nun von den beiden Kondensatoren entladen und die Kondensatoren beginnen sich wieder aufzuladen. Dieses Laden und Entladen in beiden Komponenten setzt sich fort und liefert somit ein Schwingungssignal über diese.

Die Schwingung hängt stark von den Kondensatoren und dem Wert des Induktors ab. Die folgende Formel dient zur Bestimmung der Schwingungsfrequenz:

F = 1 / 2π√LC

wobei F die Frequenz und L die Induktivität ist, ist C die äquivalente Gesamtkapazität.

Die äquivalente Kapazität der beiden Kondensatoren kann mit bestimmt werden

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

Während dieser Schwingungsphase im Tankkreis tritt ein gewisser Energieverlust auf. Um diesen Energieverlust auszugleichen und die Schwingung im Tankkreis aufrechtzuerhalten, ist eine Verstärkungsvorrichtung erforderlich. Es gibt viele verschiedene Arten von Verstärkungsvorrichtungen, die verwendet werden, um den Energieverlust im Tankkreislauf auszugleichen. Die gebräuchlichsten Verstärkungsvorrichtungen sind Transistoren und Operationsverstärker.

Colpitts-Oszillator auf Transistorbasis

In der obigen Abbildung ist der Colpitts-Oszillator auf Transistorbasis gezeigt, bei dem die Hauptverstärkungsvorrichtung des Oszillators ein NPN-Transistor T1 ist.

In der Schaltung sind die Widerstände R1 und R2 für die Basisspannung erforderlich. Diese beiden Widerstände werden verwendet, um einen Spannungsteiler über der Basis des Transistors T1 herzustellen. Der Widerstand R3 wird als Emitterwiderstand verwendet. Dieser Widerstand ist sehr nützlich, um die Verstärkungsvorrichtung während der thermischen Drift zu stabilisieren. Der Kondensator C3 wird als Emitter-Bypass-Kondensator verwendet, der parallel zum Widerstand R3 geschaltet ist. Wenn wir diesen C3-Kondensator entfernen, wird das verstärkte Wechselstromsignal über den Widerstand R3 geleitet und führt zu einer schlechten Verstärkung. Somit wird dem Kondensator C3 ein einfacher Weg für das verstärkte Signal bereitgestellt. Die Rückkopplung vom Tankkreis wird unter Verwendung des C4 weiter mit der Basis des Transistors T1 verbunden.

Die Schwingung der Transistorbasierten Colpitts-Oszillatorschaltung hängt von der Phasenverschiebung ab. Dies ist als Barkhausen-Kriterium für den Oszillator bekannt. Gemäß dem Barkhausen-Kriterium sollte die Schleifenverstärkung etwas größer als die Einheit sein und die Phasenverschiebung um die Schleife muss 360 Grad oder 0 Grad betragen. In diesem Fall benötigt die Gesamtschaltung eine Phasenverschiebung von 0 Grad oder 360 Grad, um die Schwingung über den Ausgang bereitzustellen. Die Transistorkonfiguration als gemeinsamer Emitter bietet eine 180-Grad-Phasenverschiebung, während die Tankschaltung auch eine zusätzliche 180-Grad-Phasenverschiebung beisteuert. Durch die Kombination dieser zweiphasigen Verschiebungen erreicht die gesamte Schaltung eine 360-Grad-Phasenverschiebung, die für die Schwingung verantwortlich ist.

Die Rückkopplung kann mit den beiden Kondensatoren C1 und C2 gesteuert werden. Diese beiden Kondensatoren sind in Reihe geschaltet und der Übergang ist weiter mit der Versorgungsmasse verbunden. Die Spannung an C1 ist viel größer als die Spannung an C2. Durch Ändern dieser beiden Kondensatorwerte können wir die Rückkopplungsspannung steuern, die weiter in den Tankkreis zurückgeführt wird. Die Bestimmung der Rückkopplungsspannung ist ein entscheidender Teil der Schaltung, da die geringe Rückkopplungsspannung die Schwingung nicht aktivieren würde, während eine hohe Rückkopplungsspannung die Ausgangssinuswelle zerstören und Verzerrungen hervorrufen würde.

Der Colpitts-Oszillator kann durch Ändern des Induktivitäts- und Kapazitätswerts eingestellt werden. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Colpitts-Oszillator in einer variablen Abstimmungskonfiguration arbeiten zu lassen.

Der erste Weg besteht darin, den Induktor als variablen Induktor zu ändern, und der andere Weg besteht darin, die Kondensatoren als variablen Kondensator zu ändern. Bei der zweiten Option ist es ratsam, eine einfache Gruppe zu verwenden, da die Rückkopplungsspannung stark vom Verhältnis von C1 und C2 abhängt. Wenn also ein Kondensator variiert, ändert der andere Kondensator auch seine Kapazität entsprechend.

Colpitts-Oszillator auf Operationsverstärkerbasis

In dem obigen Bild ist eine auf einem Operationsverstärker basierende Colpitts-Oszillatorschaltung gezeigt. Der Operationsverstärker befindet sich im invertierenden Konfigurationsmodus. Die Widerstände R1 und R2 werden verwendet, um dem Operationsverstärker die erforderliche Rückmeldung zu geben. Der Tankkreis ist zusammen mit dem einzelnen Induktor parallel zu zwei Reihenkondensatoren geschaltet. Der Eingang des Operationsverstärkers ist mit der Rückmeldung des Tankkreises verbunden.

Die Arbeitsweise ist die gleiche wie in der obigen transistorbasierten Colpitts-Oszillatorschaltung. Während des Startvorgangs verstärkt der Operationsverstärker das Rauschsignal, das für das Laden von zwei Kondensatoren verantwortlich ist. Die Verstärkung des Colpitts-Oszillators auf Operationsverstärkerbasis ist höher als die des Colpitts-Oszillators auf Transistorbasis.

Unterschied zwischen Colpitts Oscillator und Hartley Oscillator

Der Colpitts-Oszillator ist dem Hartley-Oszillator sehr ähnlich, aber es gibt einen Unterschied in der Konstruktion zwischen diesen beiden. Obwohl diese beiden Oszillatorschaltungen aus drei Komponenten als Tankschaltung bestehen, verwendet der Colpitts-Oszillator einen einzelnen Induktor parallel zu zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, während der Hartley-Oszillator genau gegenüber einen einzelnen Kondensator parallel zu zwei in Reihe geschalteten Induktoren verwendet. Der Colpitts-Oszillator arbeitet im Hochfrequenzbetrieb stabiler als der Hartley-Oszillator.

Der Colpitts-Oszillator ist eine ausgezeichnete Wahl im Hochfrequenzbetrieb. Es kann eine Ausgangsfrequenz sowohl im Megahertz-Bereich als auch im Kilohertz-Bereich erzeugen.

Anwendung der Colpitts-Oszillatorschaltung

1. Aufgrund der Schwierigkeiten bei einer gleichmäßigen Variation von Induktor und Kondensator wird der Colpitts-Oszillator hauptsächlich zur Erzeugung fester Frequenzen verwendet.

2. Der Colpitts-Oszillator wird hauptsächlich in mobilen oder anderen hochfrequenzgesteuerten Kommunikationsgeräten verwendet.

3. Bei Hochfrequenzschwingungen ist der Colpitts-Oszillator eine ausgezeichnete Wahl. Daher verwenden auf Hochfrequenzoszillatoren basierende Geräte den Colpitts-Oszillator.

4. In einigen Anwendungen, in denen zusätzlich zur thermischen Stabilität eine kontinuierliche und ungedämpfte Schwingung erforderlich ist, wird der Colpitts-Oszillator verwendet.

5. Für Anwendungen, die einen weiten Frequenzbereich mit minimalem Rauschen benötigen.

6. Viele Arten von SAW-basierten Sensoren verwenden den Colpitts-Oszillator

7. Verschiedene Arten von Metalldetektoren verwenden den Colpitts-Oszillator.

8. Frequenzmodulationsbezogene Hochfrequenzsender verwenden den Colpitts-Oszillator.

9. Es hat eine enorme Anwendung in militärischen und kommerziellen Produkten.

10. In Mikrowellenanwendungen sind auch Signalmaskierungs-bezogene chaotische Schaltungen erforderlich. Colpitts-Oszillator in dem unterschiedlichen Frequenzbereich.