Colpittsi ostsillaator

Colpittsi ostsillaatori võnkering

Colpittsi ostsillaator on üks LC-ostsillaatorite lülitus, mis kasutab kondensaatoreid ja induktiivpoole, et tekitada elektripinge võnkumisi kindlatel sagedustel. Colpittsi ostsillaator kasutab mahtuvuslikku kolmpunktlülitust, mis koosneb kahest jadamisi asuvast kondensaatorist ja nendega rööbiti ühendatud induktiivpoolist. Colpittsi ostsillaatorit teistest ostsillaatoritest eristav omadus on aktiivelemendi positiivne tagasiside, mis võetakse pingejagurina toimivate kondensaatorite vahelt.

Colpittsi ostsillaatori leiutas 1918. aastal Ameerika insener Edwin H. Colpitts.

Tööpõhimõte

Colpittsi ostsillaator koosneb nagu teisedki LC-ostsillaatorid võimendavast elektroonikakomponendist (näiteks bipolaartransistor, väljatransistor, operatsioonvõimendi, elektronlamp), mille väljund on tagasisideahela kaudu ühendatud sisendiga. Colpittsi ostsillaatori puhul toimub tagasiside läbi mahtuvusliku kolmpunktlülituse, mis toimib kui ribafilter, lastes läbi ainult kindla sagedusega signaali.

Colpittsi ostsillaator on elektriliselt sarnane Hartley ostsillaatoriga, kus tagasiside võetakse induktiivsest pingejagurist, mis koosneb kahest jadamisi poolist, mis on rööbiti kondensaatoriga.

Colpittsi ostsillaatori sagedus on arvutatav valemiga

$f_{0}={1 \over 2\pi {\sqrt {L\left({C_{1}C_{2} \over C_{1}+C_{2}}\right)}}}$,

kus $f_{0}$ on ostsillaatori sagedus, $L$ on induktiivpooli induktiivsus ja $C_{1}$ ning $C_{2}$ on kondensaatorite mahtuvused.

Ostsillaatori tegelik sagedus on veidi madalam reaalsetes lülitustes esinevate parasiitmahtuvuste tõttu. Kõigil ostsillaatoritel peaks stabiilseks toimimiseks olema aktiivelemendi võimendus suurem kui sumbumus mahtuvuslikus pingejaguris. Colpittsi ostsillaatorit saab kasutada muutuva sagedusega ostsillaatorina, kui kasutada induktiivpooli induktiivsuse muutmist sageduse reguleerimiseks. Kui tahetakse kasutada kondensaatorit sageduse muutmiseks, tuleks lisada kolmas kondensaator jadamisi või rööbiti induktiivpooliga (Clappi ostsillaator).

Transistoriga skeem

Colpittsi ostsillaator transistoriga

Tüüpiline näide Colpittsi ostsillaatorist, kus aktiivelemendina kasutatakse bipolaartransistori, on näidatud kõrval oleval joonisel. Takistused R₁ ja R₂ moodustavad pingejaguri, mis määrab transistori baasipinge. Takistus R₄ muudab võimendatud voolu väljundpingeks. C_in on eralduskondensaator sisendi jaoks ja C_out on eralduskondensaator väljundi jaoks. R_e on emitteritakisti, mis tekitab negatiivset tagasisidet, et stabiliseerida näiteks temperatuuri mõju. C_e on emitteriahela kondensaator, mille ülesandeks on võimendatud vahelduvvoolu möödajuhtimine emitteritakistist R_e. Ilma emitterikondensaatorita langeks võimendatud vahelduvvool emitteritakistile ja muudaks transistori alalisvoolu tingimusi ja tulemuseks oleks vähenenud võimendus. Kondensaatorid C₁ ja C₂ ning induktiivpool L₁ moodustavad võnkeringi. Tagasiside antakse transistori baasile võnkeringi mahtuvusliku harundi kaudu.

Pingeallika sisselülitamise järel hakkavad kondensaatorid C₁ ja C₂ laaduma. Peale kondensaatorite täitumist hakkavad kondensaatorid tühjenema läbi induktiivpooli L₁. Kondensaatori tühjenemisel muutub kondensaatoril salvestatud elektrostaatiline energia induktiivpooli magnetvooks. Edasi hakkab induktiivpool tühjenema ja kondensaator laaduma. Energia kandumine kondensaatorite ja induktiivpooli vahel on aluseks võnkumiste tekkimisele. Kondensaatoril C₂ tekkinud pinge on vastandfaasis kondensaatoril C₁ tekkinud pingega. Tagasisideahelasse kandub kondensaatoril C₂ tekkinud pinge, mis ilmneb transistori kollektoril ja emitteril.

Transistor kompenseerib võnkeringis kaduma läinud energia ning tekivad sumbumatud võnkumised. Võnkering tekitab 180-kraadise faasinihke, millele lisandub transistori tekitatud 180-kraadine faasinihe, mille tulemusena on sisendi ja väljundi faasinihe kokku 360 kraadi. Sumbumatute võnkumiste tekkimiseks peab kogu faasinihe olema $\varphi =n2\pi$ ja amplituudi tasakaalu säilimiseks peab võimendusteguri $k_{u}$ ja tagasisideahela ülekandeteguri $\gamma$ korrutis olema $k_{u}{\gamma }\geq 1$. Antud tingimusi nimetatakse sumbumatute võnkumiste faaside ja amplituudide tasakaalu tingimusteks.

Operatsioonvõimendiga skeem

Colpittsi ostsillaator operatsioonvõimendiga

Tüüpiline Colpittsi ostsillaatori skeem operatsioonvõimendiga on esitatud kõrval oleval joonisel. Operatsioonvõimendi on ühendatud inverteerivas režiimis, kus R₁ on sisendahela takistus ja R_f on tagasiside takistus. Operatsioonvõimendiga ostsillaatori eelis on võimalus muuta võimendust, kasutades skeemikomponente R_f ja R₁. Inverteeriva operatsioonvõimendi võimendus on arvutatav valemiga

$k_{u}=-{R_{f} \over R_{1}}$.

Ülejäänud komponendid ei mõjuta lülituse võimendust märkimisväärselt. Operatsioonvõimendit kasutava Colpittsi ostsillaatori tööpõhimõte on sarnane transistori kasutava Colpittsi ostsillaatori omaga.

Clappi ostsillaator

Clappi ostsillaator

Clappi ostsillaator, mille esitas James Kilton Clapp aastal 1948, on Colpittsi ostsillaatori edasiarendus. Clappi ostsillaatori erinevus seisneb lisakondensaatoris, mis on võnkeringis ühendatud jadamisi induktiivpooliga.

Peamine põhjus kondensaatori C₃ lisamiseks on võimalus muuta võnkeringi sagedust. Selleks kasutatakse kondensaatorina C₃ muutkondensaatorit. C₁ ja C₂ on püsikondensaatorid. Kondensaatori C₃ võimaldab muuta võnkeringi sagedust ilma tagasiside tugevust mõjutamata. Võnkeringi kondensaatori C₃ mahtuvust tuleb arvesse võtta ka ostsillaatori töösageduse arvutamisel. Uus sageduse arvutamise valem on sel juhul

$f_{0}={1 \over 2\pi }{\sqrt {{1 \over L_{1}}\left({1 \over C_{1}}+{1 \over C_{2}}+{1 \over C_{3}}\right)}}$,

kus f₀ on võnkeringi võnkesagedus, L₁ on võnkeringi induktiivpooli induktiivsus ning C₁, C₂ ja C₃ on võnkeringi kondensaatorite mahtuvused.

Colpittsi ostsillaatori eelised ja puudused

Colpittsi ostsillaator on kasutusel raadiosageduslikes rakendustes, mille tööpiirkond jääb enamasti sagedusvahemikku 20 kHz kuni 300 MHz. Colpittsi ostsillaatori tagasiside mahtuvusliku pingejaguri kaudu annab parema sageduse stabiilsuse kui Hartley ostsillaator, mille tagasiside toimub induktiivse pingejaguri kaudu. Peamine Colpittsi ostsillaatori eelis Hartley ostsillaatori ees ilmneb kõrgemate sageduste piirkonnas. Selle põhjuseks on kondensaatorid, mille reaktiivtakistus sageduste tõustes väheneb. Sellest tingituna on väljundsignaal kõrgetel sagedustel sarnasem puhta sinusoidiga, mille tõttu saab Colpittsi ostsillaatorit kasutada ka mikromikrolainete rakendustes.

Ostsillaatori rakendustes, kus on vaja kõrgemat sagedusstabiilsust, kui seda pakuvad LC-ostsillaatorid, on võimalik kasutada kvartskristalle, mis tagavad kindlas sagedusvahemikus stabiilsema võnkesageduse (vt kvartsostsillaator). Kvartskristallid on vähem tundlikud temperatuuri ja toitepinge kõikumiste osas kui kondensaatorid ja induktiivpoolid. Kvartskristalle saab kasutada ostsillaatorites lisastabiilsuse saamiseks Colpittsi ja Hartley lülitustes.

Kirjandus

• Gottlieb, Irving Gottlieb (1997). Practical Oscillator Handbook. US: Elsevier. p. 151. ISBN 0750631023.

Vaata ka

• Ostsillaator

Välislingid

• Colpitts ostsillaator (Circuits today)
• Colpitts ostsillaator (Electronics tutorials)
• Ostsillaatorid (Learn about electronics)