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.

## 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

Tüüpiline näide Colpittsi ostsillaatorist, kus aktiivelemendina kasutatakse bipolaartransistori, on näidatud kõrval oleval joonisel. Takistused *R*1 ja *R*2 moodustavad pingejaguri, mis määrab transistori baasipinge. Takistus *R*4 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 *C*1 ja *C*2 ning induktiivpool *L*1 moodustavad võnkeringi. Tagasiside antakse transistori baasile võnkeringi mahtuvusliku harundi kaudu.

Pingeallika sisselülitamise järel hakkavad kondensaatorid *C*1 ja *C*2 laaduma. Peale kondensaatorite täitumist hakkavad kondensaatorid tühjenema läbi induktiivpooli *L*1. 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 *C*2 tekkinud pinge on vastandfaasis kondensaatoril *C*1 tekkinud pingega. Tagasisideahelasse kandub kondensaatoril *C*2 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}\ge1. Antud tingimusi nimetatakse sumbumatute võnkumiste faaside ja amplituudide tasakaalu tingimusteks.

### Operatsioonvõimendiga skeem

Tüüpiline Colpittsi ostsillaatori skeem operatsioonvõimendiga on esitatud kõrval oleval joonisel. Operatsioonvõimendi on ühendatud inverteerivas režiimis, kus *R*1 on sisendahela takistus ja *R*f on tagasiside takistus. Operatsioonvõimendiga ostsillaatori eelis on võimalus muuta võimendust, kasutades skeemikomponente *R*f ja *R*1. 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, 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 *C*3 lisamiseks on võimalus muuta võnkeringi sagedust. Selleks kasutatakse kondensaatorina *C*3 muutkondensaatorit. *C*1 ja *C*2 on püsikondensaatorid. Kondensaatori *C*3 võimaldab muuta võnkeringi sagedust ilma tagasiside tugevust mõjutamata. Võnkeringi kondensaatori *C*3 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 *f*0 on võnkeringi võnkesagedus, *L*1 on võnkeringi induktiivpooli induktiivsus ning *C*1, *C*2 ja *C*3 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.

## Vaata ka
* Ostsillaator

## Viited

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

## Välislingid
* Colpitts ostsillaator (Circuits today)
* Colpitts ostsillaator (Electronics tutorials)
* Ostsillaatorid (Learn about electronics)