Colpittsi ostsillaator

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. 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 2 π L ( C 1 C 2 C 1 + C 2 ) {\displaystyle f_{0}={1 \over 2\pi {\sqrt {L\left({C_{1}C_{2} \over C_{1}+C_{2}}\right)}}}} , kus f 0 {\displaystyle f_{0}} on ostsillaatori sagedus, L {\displaystyle L} on induktiivpooli induktiivsus ja C 1 {\displaystyle C_{1}} ning C 2 {\displaystyle 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). 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. Cin on eralduskondensaator sisendi jaoks ja Cout on eralduskondensaator väljundi jaoks. Re on emitteritakisti, mis tekitab negatiivset tagasisidet, et stabiliseerida näiteks temperatuuri mõju. Ce on emitteriahela kondensaator, mille ülesandeks on võimendatud vahelduvvoolu möödajuhtimine emitteritakistist Re. 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 φ = n 2 π {\displaystyle \varphi =n2\pi } ja amplituudi tasakaalu säilimiseks peab võimendusteguri k u {\displaystyle k_{u}} ja tagasisideahela ülekandeteguri γ {\displaystyle \gamma } korrutis olema k u γ ≥ 1 {\displaystyle k_{u}{\gamma }\geq 1} . Antud tingimusi nimetatakse sumbumatute võnkumiste faaside ja amplituudide tasakaalu tingimusteks. Tüüpiline Colpittsi ostsillaatori skeem operatsioonvõimendiga on esitatud kõrval oleval joonisel. Operatsioonvõimendi on ühendatud inverteerivas režiimis, kus R1 on sisendahela takistus ja Rf on tagasiside takistus. Operatsioonvõimendiga ostsillaatori eelis on võimalus muuta võimendust, kasutades skeemikomponente Rf ja R1. Inverteeriva operatsioonvõimendi võimendus on arvutatav valemiga k u = − R f R 1 {\displaystyle 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, 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 2 π 1 L 1 ( 1 C 1 + 1 C 2 + 1 C 3 ) {\displaystyle 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 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. Gottlieb, Irving Gottlieb (1997). Practical Oscillator Handbook. US: Elsevier. p. 151. ISBN 0750631023. Ostsillaator Colpitts ostsillaator (Circuits today) Colpitts ostsillaator (Electronics tutorials) Ostsillaatorid (Learn about electronics) 2. US 1624537, Colpitts, Edwin H., "Oscillation generator", avaldatud 1. veebruar 1918, välja antud 12 April 1927 1. J. K. Clapp, "An inductance-capacitance oscillator of unusual frequency stability", vol. 367, pp. 356–358, Märts 1948