Colpitts ออสซิลเลเตอร์

ออสซิลเลเตอร์เป็นโครงสร้างทางกลหรือทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งทำให้เกิดการสั่นขึ้นอยู่กับตัวแปรบางตัว เราทุกคนมีอุปกรณ์ที่ต้องใช้ออสซิลเลเตอร์เช่นนาฬิกาแบบดั้งเดิมหรือนาฬิกาข้อมือ เครื่องตรวจจับโลหะประเภทต่างๆคอมพิวเตอร์ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์และไมโครโปรเซสเซอร์เกี่ยวข้องใช้ออสซิลเลเตอร์โดยเฉพาะออสซิลเลเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งสร้างสัญญาณเป็นระยะ เราได้พูดถึงออสซิลเลเตอร์สองสามตัวในบทช่วยสอนก่อนหน้านี้:

• RC Phase Shift Oscillator
• Wein Bridge Oscillator
• ออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์
• Phase Shift Oscillator วงจร
• ออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VCO)

oscillator Colpittsถูกคิดค้นโดยวิศวกรชาวอเมริกันเอ็ดวินเอช Colpitts ในปี 1918 Colpitts oscillator ทำงานร่วมกับการรวมกันของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุโดยการขึ้นรูปตัวกรอง LC เช่นเดียวกับออสซิลเลเตอร์อื่น ๆ Colpitts oscillator ประกอบด้วยอุปกรณ์ขยายสัญญาณและเอาต์พุตเชื่อมต่อกับลูปป้อนกลับวงจร LC Colpitts oscillator เป็นออสซิลเลเตอร์เชิงเส้นที่สร้างรูปคลื่นไซน์

วงจรรถถัง

อุปกรณ์การสั่นหลักในColpitts oscillatorถูกสร้างขึ้นโดยใช้วงจรถัง วงจรถังประกอบด้วยสามเหนี่ยวนำส่วนประกอบที่เป็นตัวเก็บประจุและสอง ตัวเก็บประจุสองตัวเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมและตัวเก็บประจุเหล่านี้จะเชื่อมต่อแบบขนานกับตัวเหนี่ยวนำ

ในภาพด้านบนองค์ประกอบสามส่วนของวงจรถังจะแสดงด้วยการเชื่อมต่อที่เหมาะสม กระบวนการเริ่มต้นด้วยการชาร์จตัวเก็บประจุสองตัว C1 และ C2 จากนั้นภายในวงจรถังตัวเก็บประจุทั้งสองชุดนี้จะปล่อยลงในตัวเหนี่ยวนำแบบขนาน L1 และพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุที่ถ่ายโอนไปยังตัวเหนี่ยวนำ เนื่องจากตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบขนานตัวเหนี่ยวนำจึงถูกปล่อยออกมาโดยตัวเก็บประจุสองตัวและตัวเก็บประจุจะเริ่มชาร์จอีกครั้ง การชาร์จและการคายประจุในส่วนประกอบทั้งสองจะดำเนินต่อไปและส่งสัญญาณการสั่น

การสั่นขึ้นอยู่กับตัวเก็บประจุและค่าของตัวเหนี่ยวนำอย่างมาก สูตรด้านล่างคือการกำหนดความถี่การสั่น:

F = 1 / 2π√LC

โดยที่ F คือความถี่และ L คือตัวเหนี่ยวนำ C คือความจุเทียบเท่าทั้งหมด

ความจุเทียบเท่าของตัวเก็บประจุทั้งสองสามารถกำหนดได้โดยใช้

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

ในระหว่างระยะการสั่นนี้ในวงจรถังจะเกิดการสูญเสียพลังงานบางส่วน เพื่อชดเชยพลังงานที่สูญเสียไปนี้และเพื่อรักษาการสั่นภายในวงจรรถถังจำเป็นต้องมีอุปกรณ์รับ มีอุปกรณ์เกนหลายประเภทที่ใช้เพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงานภายในวงจรถัง อุปกรณ์รับสัญญาณที่พบมากที่สุดคือทรานซิสเตอร์และแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้

Colpitts Oscillator ที่ใช้ทรานซิสเตอร์

ในภาพด้านบนColpitts Oscillator ที่ใช้ทรานซิสเตอร์จะแสดงโดยที่อุปกรณ์รับหลักของออสซิลเลเตอร์คือทรานซิสเตอร์ NPN T1

ในวงจรต้องใช้ตัวต้านทาน R1 และ R2 สำหรับแรงดันไฟฟ้าฐาน เหล่านี้สองตัวต้านทานจะใช้เพื่อให้แบ่งแรงดันในฐานทรานซิสเตอร์ T1 ของตัวต้านทาน R3ใช้เป็นตัวต้านทานอิมิตเตอร์ ตัวต้านทานนี้มีประโยชน์อย่างมากในการทำให้อุปกรณ์เกนคงที่ระหว่างการระบายความร้อนC3 ตัวเก็บประจุจะถูกใช้เป็นตัวเก็บประจุอีซีแอลบายพาสซึ่งเชื่อมต่อในแบบคู่ขนานกับตัวต้านทาน R3 หากเราถอดตัวเก็บประจุ C3 นี้ออกสัญญาณ AC ที่ขยายจะถูกทิ้งข้ามตัวต้านทาน R3 และส่งผลให้ได้รับที่ไม่ดี ดังนั้นตัวเก็บประจุ C3 จึงเป็นเส้นทางที่ง่ายสำหรับสัญญาณขยาย ข้อเสนอแนะจากวงจรถังเชื่อมต่อเพิ่มเติมโดยใช้ C4 กับฐานของทรานซิสเตอร์ T1

การสั่นของวงจรออสซิลเลเตอร์ Colpitts ที่ใช้ทรานซิสเตอร์นั้นขึ้นอยู่กับการเลื่อนเฟส สิ่งนี้เป็นที่รู้จักกันดีว่าเป็นเกณฑ์ของ barkhausen สำหรับ oscillator ตามเกณฑ์ของ Barkhausenค่าการวนซ้ำควรมากกว่าค่าเอกภาพเล็กน้อยและการกะระยะรอบวงต้องเป็น 360 องศาหรือ 0 องศา ดังนั้นในกรณีนี้เพื่อให้การสั่นของเอาต์พุตวงจรทั้งหมดต้องมีการกะระยะ 0 องศาหรือ 360 องศา การกำหนดค่าทรานซิสเตอร์เป็นตัวปล่อยทั่วไปให้การกะระยะ 180 องศาในขณะที่วงจรรถถังยังช่วยเพิ่มการกะระยะอีก 180 องศา การรวมการเลื่อนสองเฟสเข้าด้วยกันนี้จะทำให้วงจรทั้งหมดได้รับการเปลี่ยนเฟสแบบ 360 องศาซึ่งรับผิดชอบการสั่น

ข้อเสนอแนะที่สามารถควบคุมการใช้ทั้งสองตัวเก็บประจุ C1 และ C2 ตัวเก็บประจุทั้งสองนี้เชื่อมต่อเป็นอนุกรมและทางแยกจะเชื่อมต่อกับกราวด์จ่าย แรงดันไฟฟ้าคร่อม C1 มากกว่าแรงดันไฟฟ้าคร่อม C2 มากด้วยการเปลี่ยนค่าตัวเก็บประจุทั้งสองนี้เราสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าป้อนกลับซึ่งจะถูกป้อนกลับไปที่วงจรถังต่อไป การกำหนดแรงดันไฟฟ้าป้อนกลับเป็นส่วนสำคัญของวงจรเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าป้อนกลับในปริมาณต่ำจะไม่กระตุ้นการสั่นในขณะที่แรงดันไฟฟ้าป้อนกลับจำนวนมากจะสิ้นสุดลงในการทำลายคลื่นไซน์เอาท์พุตและทำให้เกิดการบิดเบือน

Colpitts oscillator สามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนค่าของตัวเหนี่ยวนำและความจุ มีสองวิธีในการทำให้ Colpitts oscillator ทำงานในการกำหนดค่าการปรับแต่งตัวแปร

วิธีแรกคือการเปลี่ยนตัวเหนี่ยวนำเป็นตัวเหนี่ยวนำตัวแปรและอีกวิธีหนึ่งคือการเปลี่ยนตัวเก็บประจุเป็นตัวเก็บประจุแบบแปรผัน ในตัวเลือกที่สองเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าป้อนกลับขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของ C1 และ C2 เป็นอย่างมากขอแนะนำให้ใช้แก๊งค์ธรรมดา ดังนั้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงในตัวเก็บประจุตัวหนึ่งตัวเก็บประจุอีกตัวก็จะเปลี่ยนความจุตามนั้นด้วย

ออสซิลเลเตอร์ Colpitts จาก Op-Amp

ในวงจรออสซิลเลเตอร์ Colpitts ที่ใช้ op-amp ด้านบนจะแสดง แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานอยู่ในโหมดการกำหนดค่ากลับด้าน ใช้ตัวต้านทาน R1 และ R2 เนื่องจากให้ข้อเสนอแนะที่จำเป็นแก่แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้ วงจรถังเชื่อมต่อพร้อมกับตัวเหนี่ยวนำเดี่ยวพร้อมกับตัวเก็บประจุสองชุด อินพุตของเครื่องขยายเสียงที่ใช้งานได้เชื่อมต่อกับข้อเสนอแนะของวงจรรถถัง

การทำงานจะเหมือนกับที่กล่าวไว้ในวงจร Colpitts oscillator ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ข้างต้น ในระหว่างการเริ่มต้น op-amp จะขยายสัญญาณรบกวนซึ่งมีหน้าที่ในการชาร์จตัวเก็บประจุสองตัว การได้รับของ Colpitts Oscillator ที่ใช้ Op-amp นั้นสูงกว่า Colpitts Oscillator ที่ใช้ทรานซิสเตอร์

ความแตกต่างระหว่าง Colpitts Oscillator และ Hartley Oscillator

Colpitts oscillator นั้นคล้ายกับ Hartley oscillator มาก แต่มีความแตกต่างในการสร้างระหว่างสองสิ่งนี้ ถึงแม้ว่าเหล่านี้วงจรสอง oscillator ประกอบด้วยสามส่วนเป็นวงจรถัง แต่oscillator Colpitts ใช้เหนี่ยวนำเดียวในแบบคู่ขนานกับตัวเก็บประจุสองในซีรีส์ในขณะที่สมุนใช้ oscillator ตรงข้ามซึ่งเป็นหนึ่งในตัวเก็บประจุเดียวในแบบคู่ขนานกับสองตัวเหนี่ยวนำในซีรีส์ Colpitts oscillator ทำงานได้เสถียรกว่าในการทำงานความถี่สูงมากกว่า Hartley Oscillator

Colpitts oscillator เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานความถี่สูง สามารถผลิตความถี่เอาต์พุตในช่วงเมกะเฮิรตซ์และในช่วงกิโลเฮิรตซ์

การประยุกต์ใช้ Colpitts Oscillator Circuit

1. เนื่องจากความยากลำบากในการเปลี่ยนแปลงที่ราบรื่นของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุออสซิลเลเตอร์ Colpitts ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการสร้างความถี่คงที่

2. การใช้ Colpitts oscillator เป็นหลักในโทรศัพท์มือถือหรืออุปกรณ์สื่อสารที่ควบคุมด้วยความถี่วิทยุอื่น ๆ

3. ในการสั่นความถี่สูง Colpitts oscillator เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยม ดังนั้นอุปกรณ์ที่ใช้ออสซิลเลเตอร์ความถี่สูงจึงใช้ Colpitts Oscillator

4. ในแอปพลิเคชั่นบางตัวที่จำเป็นต้องมีการสั่นอย่างต่อเนื่องและไม่ได้รับการกระแทกนอกเหนือจากเสถียรภาพทางความร้อนจะใช้ Colpitts Oscillator

5. สำหรับการใช้งานที่ต้องการความถี่ที่หลากหลายและเกิดเสียงรบกวนต่ำสุด

6. เซ็นเซอร์ที่ใช้ SAW หลายประเภทใช้ Colpitts oscillator

7. เครื่องตรวจจับโลหะประเภทต่างๆใช้ Colpitts oscillator

8. เครื่องส่งสัญญาณความถี่วิทยุที่เกี่ยวข้องกับการมอดูเลตใช้ Colpitts oscillator

9. มีการประยุกต์ใช้อย่างมากในผลิตภัณฑ์เกรดทางการทหารและเชิงพาณิชย์

10. ในการใช้งานไมโครเวฟจำเป็นต้องมีการปิดบังสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับวงจรวุ่นวาย Colpitts oscillator ในช่วงความถี่ที่แตกต่างกัน