- El circuit de tancs
- Oscil·lador Colpitts basat en transistors
- Oscil·lador Colpitts basat en Op-Amp
- Diferència entre l'oscil·lador Colpitts i l'oscil·lador Hartley
- Aplicació del circuit oscil·lador Colpitts
Un oscil·lador és una construcció mecànica o electrònica que produeix oscil·lació en funció de poques variables. Tots tenim dispositius que necessiten oscil·ladors com un rellotge tradicional o un rellotge de polsera. Diversos tipus de detectors de metalls, ordinadors on intervenen microcontroladors i microprocessadors utilitzen oscil·ladors, especialment l’oscil·lador electrònic que produeix senyals periòdics. Vam discutir alguns oscil·ladors en els nostres tutorials anteriors:
- Oscil·lador de canvi de fase RC
- Oscil·lador del pont Wein
- Oscil·lador de vidre de quars
- Circuit d'oscil·lador de canvi de fase
- Oscil·lador controlat per tensió (VCO)
L' oscil·lador Colpitts va ser inventat per l'enginyer nord-americà Edwin H. Colpitts el 1918. L'oscil·lador Colpitts funciona amb una combinació d'inductors i condensadors formant un filtre LC. Igual que altres oscil·ladors L'oscil·lador Colpitts consisteix en un dispositiu de guany i la sortida està connectada amb un bucle de retroalimentació de circuits LC. L'oscil·lador Colpitts és un oscil·lador lineal que produeix una forma d'ona sinusoïdal.
El circuit de tancs
El dispositiu d’oscil·lació principal de l’oscil·lador Colpitts es crea mitjançant el circuit del tanc. El circuit del tanc està format per tres components: un inductor i dos condensadors. Dos condensadors es connecten en sèrie, i aquests condensadors es connecten en paral·lel amb l'inductor.
A la imatge anterior, es mostren tres components del circuit del tanc amb connexions adequades. El procés comença amb la càrrega de dos condensadors C1 i C2. Després, dins del circuit del tanc, aquests dos condensadors de la sèrie descarreguen a l’inductor paral·lel L1 i l’energia emmagatzemada al condensador es transfereix a l’inductor. A causa del condensador connectat en paral·lel, l’inductor que ara descarreguen els dos condensadors i els condensadors es tornen a carregar. Aquesta càrrega i descàrrega en tots dos components continua i proporciona així un senyal d'oscil·lació a través d'ell.
L'oscil·lació depèn en gran mesura dels condensadors i del valor de l'inductor. A continuació, es determina la freqüència d'oscil·lació:
F = 1 / 2π√LC
on F és freqüència i L és inductor, C és la capacitat equivalent equivalent.
Es pot determinar utilitzant la capacitat equivalent dels dos condensadors
C = (C1 x C2) / (C1 + C2)
Durant aquesta fase d'oscil·lació del circuit del tanc, es produeix una certa pèrdua d'energia. Per compensar aquesta energia perduda i mantenir l’oscil·lació dins del circuit del tanc, es necessita un dispositiu de guany. Hi ha molts tipus diferents de dispositius de guany que s’utilitzen per compensar la pèrdua d’energia dins del circuit del tanc. Els dispositius de guany més comuns són els transistors i els amplificadors operatius.
Oscil·lador Colpitts basat en transistors
A la imatge anterior, es mostra l' oscil·lador Colpitts basat en transistors on el dispositiu de guany principal de l'oscil·lador és un transistor NPN T1.
Al circuit, es requereixen resistències R1 i R2 per a la tensió base. Aquests dos resistors s’utilitzen per fer un divisor de voltatge a través de la base del transistor T1. La resistència R3 s’utilitza com a resistència emissora. Aquesta resistència és molt útil per estabilitzar el dispositiu de guany durant la deriva tèrmica. El condensador C3 s'utilitza com a condensador de derivació d'emissor que es connecta en paral·lel amb la resistència R3. Si traiem aquest condensador C3, el senyal de CA amplificat es llançarà a la resistència R3 i obtindrà un guany baix. Per tant, el condensador C3 proporciona un camí fàcil per al senyal amplificat. La retroalimentació del circuit del tanc es connecta a més mitjançant el C4 a la base del transistor T1.
L'oscil·lació del circuit oscil·lador Colpitts basat en transistors depèn del desplaçament de fase. Això és ben conegut com a criteri de barkhausen per a l’oscil·lador. Segons el criteri de Barkhausen, el guany del bucle ha de ser lleugerament superior a la unitat i el desplaçament de fase al voltant del bucle ha de ser de 360 o 0 graus. Per tant, durant aquest cas, per proporcionar l’oscil·lació de la sortida, el circuit total necessita 0 graus o desplaçament de fase de 360 graus. La configuració del transistor com a emissor comú proporciona un canvi de fase de 180 graus, mentre que el circuit del tanc també contribueix amb un canvi de fase addicional de 180 graus. Combinant aquests desplaçaments de dues fases, el circuit total aconsegueix un desplaçament de fase de 360 graus, que és responsable de l’oscil·lació.
La retroalimentació es pot controlar mitjançant els dos condensadors C1 i C2. Aquests dos condensadors es connecten en sèrie i la unió es connecta a més amb la terra de subministrament. La tensió a C1 és molt més gran que la tensió a C2. Canviant aquests dos valors del condensador, podem controlar la tensió de retroalimentació que s’alimenta de nou al circuit del tanc. La determinació del voltatge de retroalimentació és una part crucial del circuit perquè la baixa quantitat de voltatge de retroalimentació no activaria l’oscil·lació, mentre que una elevada quantitat de voltatge de retroacció acabarà destruint l’ona sinusoïdal de sortida i provocant distorsió.
L'oscil·lador Colpitts es pot ajustar canviant el valor de la inductància i la capacitat. Hi ha dues maneres de fer funcionar l’oscil·lador Colpitts en una configuració d’ajust variable.
La primera manera és canviar l’inductor com a inductor variable i l’altra manera és canviar els condensadors com a condensador variable. A la segona opció, com que el voltatge de retroalimentació és altament fiable de la proporció de C1 i C2, es recomana utilitzar una banda senzilla. De manera que quan hi ha variació en un condensador, l'altre condensador també canvia la seva capacitat d'acord amb ell.
Oscil·lador Colpitts basat en Op-Amp
A la imatge anterior es mostra el circuit oscil·lador Colpitts basat en amplificador operatiu. L'amplificador operatiu està en mode de configuració inversa. S'utilitzen les resistències R1 i R2 per proporcionar la retroalimentació necessària a l'amplificador operacional. El circuit del tanc està connectat juntament amb l’inductor únic en paral·lel amb dos condensadors de la sèrie. L'entrada de l'amplificador operacional està connectada a la retroalimentació del circuit del tanc.
El funcionament és el mateix que el comentat al circuit oscil·lador Colpitts basat en transistors anteriors. Durant l’inici, l’amplificador operatiu amplifica el senyal de soroll que s’encarrega de carregar dos condensadors. El guany de l'oscil·lador Colpitts basat en amplificadors operatius és superior al de l'oscil·lador Colpitts basat en transistors.
Diferència entre l'oscil·lador Colpitts i l'oscil·lador Hartley
L'oscil·lador Colpitts és molt similar a l'oscil·lador Hartley, però hi ha una diferència de construcció entre aquests dos. Tot i que aquests dos circuits oscil·ladors consten de tres components com a circuit de tanc, però l’ oscil·lador Colpitts utilitza un sol inductor en paral·lel amb dos condensadors en sèrie mentre que l’oscil·lador Hartley utilitza exactament el contrari, un condensador únic en paral·lel amb dos inductors en sèrie. L’oscil·lador Colpitts té un funcionament més estable en alta freqüència que l’oscil·lador Hartley.
L'oscil·lador Colpitts és una opció excel·lent en operacions d'alta freqüència. Pot produir freqüències de sortida en el rang de Megahertzs i en el rang de Kilohertz.
Aplicació del circuit oscil·lador Colpitts
1. A causa de les dificultats per a una variació suau d’inductor i condensador, l’oscil·lador Colpitts s’utilitza principalment per a la generació de freqüències fixes.
2. L'ús principal de l'oscil·lador Colpitts és en dispositius mòbils o en altres dispositius de comunicació controlats per radiofreqüència.
3. En oscil·lacions d'alta freqüència, l'oscil·lador Colpitts és una opció excel·lent. Per tant, els dispositius basats en oscil·ladors d'alta freqüència utilitzen l'oscil·lador Colpitts.
4. En algunes aplicacions on es necessita una oscil·lació contínua i sense amortiment, a més d’estabilitat tèrmica, s’utilitza l’oscil·lador Colpitts.
5. Per a aquelles aplicacions que necessiten una àmplia gamma de freqüències amb un mínim soroll induït.
6. Molts tipus de sensors basats en SAW utilitzen l'oscil·lador Colpitts
7. Diversos tipus de detectors de metalls utilitzen l'oscil·lador Colpitts.
8. El transmissor de radiofreqüència relacionat amb la modulació de freqüència utilitza l’oscil·lador Colpitts.
9. Té una gran aplicació en productes militars i comercials.
10. En aplicacions de microones, també es requereix un circuit caòtic relacionat amb l’emmascarament del senyal, l’oscil·lador Colpitts en el diferent rang de freqüència.