Colpittsi ostsillaator

Colpittsi ostsillaatori eelised ja puudused

Colpittsi ostsillaator on üldiselt kasutusel raadiosageduslikes rakendustes, mille tööpiirkond jääb enamasti sagedusvahemikku 20 kHz kuni 300 MHz. Colpittsi ostsillaatori tagasiside mahtuvusliku pingejaguri kaudu võnkeringis annab parema sageduse stabiilsuse kui Hartley ostsillaator, mille tagasiside toimub induktiivse pingejaguri kaudu. Peamine Colpittsi ostsillaatori eelis Hartley ostsillaatori ees on parem sooritus kõrgemate sageduste piirkonnas. Selle põhjuseks on kondensaatorid, mis võimaldavad madala reaktiivtakistusega läbipääsu kõrgemate sageduste piirkonnas. Sellest tingituna on väljundsignaal kõrgetel sagedustel sarnasem puhta sinusoidiga, mille tõttu saab Colpittsi ostsillaatorit kasutada ka mikrolainete rakendustes.
Ostsillaatori rakendustes, kus on vaja kõrgemat sagedusstabiilsust, kui seda pakuvad LC-ostsillaatorid, on võimalik kasutada kvartskristalle, mis tagavad kindlas sagedusvahemikus stabiilsemad võnkumised. Kvartskristallid on vähem tundlikud temperatuuri ja toitepinge kõikumiste osas kui kondensaatorid ja induktiivpoolid. Kvartskristalle saab kasutada ostsillaatorites lisastabiilsuse saamiseks Colpittsi ja Hartley lülitustes.

Tööpõhimõte

Colpittsi ostsillaator koosneb nagu teisedki LC-ostsillaatorid võimendavast elektroonikakomponendist (näiteks bipolaartransistor, väljatransistor, operatsioonvõimendi, vaakumlamp), mille väljund on ühendatud sisendiga, kasutades tagasisidet. Colpittsi ostsillaatori puhul toimub tagasiside läbi mahtuvusliku kolmpunktlülituse, mis toimib kui ribafilter, lastes läbi ainult kindlat sagedust.
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: 
Kus f₀ on ostsillaatori sagedus, L on induktiivpooli induktiivsus ja C₁ ning C₂ on kondensaatorite mahtuvused.
Ostsillaatori tegelik sagedus on veidi madalam parasiitmahtuvuste olemasolu tõttu reaalsetel skeemidel. Kõigil ostsillaatoritel peaks stabiilseks toimimiseks olema aktiivelemendi võimendus veidi suurem kui sumbuvus 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).

Tööpõhimõte transistoriga

Tüüpiline näide Colpittsi ostsillaatorist, kasutades bipolaartransistorit, on näidatud kõrvaloleval joonisel. Takistused R₁ ja R₂ moodustavad pingejaguri, mis määrab transistori baasipinge. Takistus R₄ muudab võimendatud voolu väljundpingeks. Cᵢₙ on lahtisidestuskondensaator sisendi ja Cₒᵤₜ on lahtisidestuskondensaator väljundi jaoks. Rₑ on emittertakisti, mis tekitab negatiivset tagasisidet, et stabiliseerida näiteks temperatuuri mõju skeemile. Cₑ on emitterkondensaator, mille ülesandeks on võimendatud vahelduvvoolu möödajuhtimine emittertakistist Rₑ. Ilma emitterkondensaatorita langeks võimendatud vahelduvvool emittertakistile 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.
Peale pingeallika sisselülitamist 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 vastasfaasis 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 skeemis olema φ=n2π ja amplituudi tasakaalu säilimiseks peab võimendustegur kᵤ ja tagasisideahela ülekandeteguri γ korrutis olema . Antud tingimusi nimetatakse sumbumatute võnkumiste faaside ja amplituudide tasakaalu tingimusteks.

Tööpõhimõte operatsioonvõimendiga

Tüüpiline Colpittsi ostsillaatori skeem operatsioonvõimendiga on esitatud kõrvaloleval joonisel. Operatsioonvõimendi on ühendatud skeemis inverteerivas režiimis, kus R₁ on sisendtakistus ja Rf on tagasiside takistus. Operatsioonvõimendiga koostatud ostsillaatori eelis on võimalus muuta võimendust, kasutades skeemikomponente Rf ja R₁. Inveerteeriva operatsioonvõimendi võimendus on arvutatav valemiga: 
Ülejäänud komponendid ei mõjuta skeemi võimendust märkimisväärselt. Transistoriga Colpittsi ostsillaatori võimendus on sõltuv enamikust skeemi komponentidest ja on selle tõttu raskemini leitav. Operatsioonvõimendit kasutava Colpittsi ostsillaatori tööpõhimõte on sarnane transistorit kasutava Colpittsi ostsillaatori omaga.

Clappi ostsillaator

Clappi ostsillaator, mille avalikustas James Kilton Clapp aastal 1948, on edasiarendus Colpittsi ostsillaatorist. Clappi ostsillaatori erinevus on üks lisakondensaator võnkeringis, mis on ühendatud jadamisi induktiivpooliga.
Peamine põhjus lisakondensaatori C₃ lisamiseks on vajadus muuta võnkeringi sagedust. Selleks kasutatakse kondensaator C₃-na muutkondensaatorit. Muutuva sagedusega Clappi ostsillaatori rakendustes valitakse C₁-ks ja C₂-ks kindla väärtusega kondensaatorid. Kondensaatori C₃ lisamine võimaldab muuta võnkeringi sagedust ilma tagasiside tugevust mõjutamata. Võnkeringi kondensaatori C₃ lisamisel tuleb seda arvesse võtta ka ostsillaatori töösageduse arvutamisel. Uus sageduse arvutamise valem oleks sel juhul: 
Kus f₀ on võnkeringi võnkesagedus, L₁ on võnkeringi induktiivpooli induktiivsus ning C₁, C₂ ja C₃ on võnkeringi kondensaatorite mahtuvused.