Seltsames Verhalten eines Colpitts-Oszillators

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich habe dieses Schema aus diesem Link (parallel abgestimmter Colpitts-VCO) erstellt und es für meine vorhandenen Frequenzen / Komponenten etwas geändert. Ich habe den Varaktor vorübergehend durch eine Trimmerkappe ersetzt, um abzustimmen und zu überprüfen, ob der Schaltplan tatsächlich funktioniert. Ich musste den C3-Wert drastisch erhöhen, da sonst die Oszillationen überhaupt nicht beginnen würden.

Die Tankkreiswerte sind im Moment so, dass sie Frequenzen irgendwo um 30 MHz erzeugen sollten. (Wenn ein Trimmer bei 20 pF liegt, beträgt die kombinierte Kapazität 22 pf und die Frequenz beträgt laut diesem Rechner 33,9 MHz). Beim Abtasten mit dem Oszilloskop liegt die Ausgangsfrequenz jedoch immer nahe bei 12 MHz (von 11,5 bis 13 MHz). Ich sage immer, weil sich die Frequenz nicht viel ändert, weder wenn ich die Kapazität des Trimmers ändere, noch wenn ich Kondensatoren mit unterschiedlichen Werten vollständig einlöte, was ich mehrmals getan habe.

Ich bin mit Hochfrequenzschaltungen nicht sehr vertraut und es scheint mir, dass etwas in der Schaltung wie eine Kapazität in einem Schwingkreis wirkt, die ich nicht ändern kann. Das Ändern des C3-Werts ändert nicht die Frequenz. Das Ändern von C1, C2 tut dies auch nicht, aber irgendwann hören die Schwingungen einfach auf. Könnte die interne Kapazität des Transistors dieses Verhalten verursachen?

Übrigens ist die Sinuswelle selbst nicht sehr sauber, sie ist auch etwas nach rechts geneigt und sieht so aus, als wäre der untere Teil ganz am Ende abgeschnitten.

Kann mir jemand erklären, was dieses seltsame Verhalten verursachen könnte, und was kann ich tun, um das Problem zu lösen?

„etwas schräg zum „was? Ein Bild wäre nicht so schlimm... außerdem wo fühlst du und mit welcher Eingangsimpedanz? Messungen beeinflussen immer das DUT, könnte das ein Problem sein? Hast du eine Simulation versucht, wie verhält sich das?
Bearbeitet und eine Beschreibung hinzugefügt, leider kann ich jetzt kein Foto machen. Ich prüfe am Ausgang der C7-Kappe. Die Sonde ist 1 MOhm mit 18 pF Kapazität. Würde die Sonde die Frequenz so stark beeinflussen, wenn überhaupt?
Ich bin nicht gut in dieser Mathematik, aber ich würde ungefähr 15 MHz von dieser erwarten. Vielleicht können Sie uns sagen, wie Sie auf diese Zahl gekommen sind. Wenn es also einen Fehler in der Berechnung gibt, kann jemand darauf hinweisen?
Die Berechnung wurde bearbeitet. Wie auch immer, das Interessante an diesem Verhalten ist, dass sich die Frequenz nicht wesentlich geändert hat, selbst wenn ich die Kapazität des angenommenen Tankkreises dramatisch geändert habe (insgesamt 200 pF).
Meine Vermutung ist, dass es in diesem Kreislauf tatsächlich zwei Tanks L1, C1, C2 und den anderen Tank gibt: alle Komponenten, die von C3 übrig geblieben sind. Beide Tanks sollten ungefähr die gleiche Frequenz haben, damit sie interagieren können. Sehr wahrscheinlich haben Sie jetzt diese Tanks bei Frequenzen, die zu weit voneinander entfernt sind, als dass die Wechselwirkung auftreten könnte.
Hm.. Die L-Komponente für den Tank rechts wäre L1, richtig? Ich habe den Wert auf 50 nH geändert, nur um zu prüfen, ob sich etwas ändern würde, aber das tat es nicht, die Frequenz blieb gleich. Könnte dieses Verhalten erwartet werden, wenn der zweite Tank wirklich eine Quelle unterschiedlicher Frequenzoszillationen wäre?
Oder wird die Gesamtinduktivität im Tank möglicherweise durch andere Faktoren wie Parasiten beeinflusst?
L1 sollte keinen Tank wie gezeichnet bilden ... R1 sollte das Q unbedingt töten (aber arbeiten Sie das Q von R1 / L1-C2 aus, um sicher zu sein). Es kann jedoch gut an L2 koppeln, es sei denn, einer von ihnen ist abgeschirmt oder Sie haben bei ihrer gegenseitigen Ausrichtung große Sorgfalt walten lassen. Sie haben die 5-V-Versorgung entkoppelt, oder? Nun, was war ursprünglich C3? 10 pF oder so? Mit seinem Stromwert ist C2 effektiv parallel zur 22pFish-Abstimmkapazität (C4,6,8), was 122pF und eine Resonanzfrequenz von etwa 14 MHz ergibt. Fügen Sie eine parasitäre Kapazität hinzu, und was Sie sehen, ist plausibel.
Die Sondenkapazität einer 1-MOhm-Sonde beträgt möglicherweise nur 18 pf, aber Sie haben auch eine Kabelkapazität (bis zu 100 pf). Also ja, Ihr Oszilloskop-Tastkopf beeinflusst die Ergebnisse erheblich. Verwenden Sie für diese Hochfrequenzschaltkreise immer einen 10-MOhm-Tastkopf.
Welche Frequenz, Amplitude, Toleranz, Verzerrung und Lastimpedanz benötigen Sie?
@BrianDrummond Ja, die Stromversorgung ist mit einer 10-uF-Kappe entkoppelt. C3 war ursprünglich 1,5 pF. Ich habe alles bis 1 nF versucht und die Schwingungen wollten einfach nicht starten. Also habe ich den dramatischen Schritt gemacht und 1 uF eingegeben und es hat funktioniert. Was kann ich tun, um immer noch Schwingungen zu erzeugen, aber das Signal zwischen C3 und C2 kurzzuschließen?
@ TonyStewart.EEsince'75 27 MHz mit sagen wir 2 Vpp und 50 Ohm Lastimpedanz. Nicht sicher über Toleranz und Verzerrung. Ich werde wahrscheinlich einen Filter einbauen, da ich vorhabe, das Signal auf Sendung zu bringen.
@BrianDrummond Ihr Kommentar zum Tank ist leider nicht richtig. Der dominante Widerstand, der die notwendige "Phasenverschiebung von mehreren Grad mit C2" bildet, ist rE, und dies wird etwa ein oder zwei Ohm betragen, wenn man die Vorspannung betrachtet, sodass R1 kaum einen Einfluss haben wird.
Fügen Sie zuerst 0,1 uF über diesen Entkoppler hinzu. Stellen Sie dann C3 auf den 100pf-ish-Bereich wieder her. Folgen Sie dann den Anweisungen auf diesem Link ... Sie benötigen mehr Schleifenverstärkung. Das Verhältnis von C1 und C2 beeinflusst das (C3, C4 im Artikel), auch den Kollektorwiderstand R2 (niedriger für mehr Schleifenverstärkung).
@Andyaka Ich denke, du sprichst sicher von L2 als Tank? Da hast du mit rE absolut recht.
@Brian oops ja. werde ich gleich löschen!!!
@AnthropomorphousDodecahedron Ich habe getan, was Sie angegeben haben, aber ich sehe zu spät.

Antworten (2)

Die Tankkreiswerte sind im Moment so, dass sie Frequenzen irgendwo um 30 MHz erzeugen sollten

Nicht mit den gezeigten Werten - mit den gezeigten Werten (und einem perfekten BJT) sind es eher 20 MHz.

Der "einfache" Colpitts-Oszillator erzeugt eine Frequenz, die ist 1 2 π L C wobei C die Nettokombination von C1 und C2 ist. Dies würde bedeuten, dass C = 50 pF ist, daher beträgt die Oszillationsfrequenz 22,5 MHz.

Die Kombination von C4, C6 und C8 senkt diese Frequenz möglicherweise unter 20 MHz.

Als nächstes kommt der BJT - er hat eine Übergangsfrequenz von nur 250 MHz und könnte dem Emittersignal leicht eine Verzögerung von 2 oder 3 ns hinzufügen. Diese Art von Schaltung ist im Grunde ein Phasenverschiebungsoszillator - selten nähert sich die Oszillationsfrequenz der durch L2 und C1 (nicht C2) definierten Spitzenfrequenz. Da es sich also um einen Phasenverschiebungsoszillator handelt, entsprechen die um die Schleife hinzugefügten 2 oder 3 ns direkt einem "Add-In" des Phasenwinkels von etwa 18 Grad, und der Oszillator wird gezwungen, deutlich langsamer als 20 MHz zu laufen.

Eine schnelle Schätzung ist 1 1 / 250 + 1 / 20 = etwa 18 MHz.

Werfen Sie ein paar zehn Prozent Toleranzen (Kondensatoren und Induktivität) und den Ladeeffekt des O-Scopes ein, und Sie könnten bei 12 MHz unten sein. Ja, die Belastung des Oszilloskops am Emitter senkt die Betriebsfrequenz.

BEARBEITEN - die Mathematik, um zu zeigen, was die Resonanzfrequenz ist: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wenn Q1 über C1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wird C1 so ziemlich aus der Gleichung eliminiert, wodurch die Resonanzfrequenz weiter gesenkt wird.
Danke für die Erklärung. Irgendeine Idee, was eine angemessene Lösung sein könnte? Sollte ich einfach "durch Augeballen" kompensieren und die Kapazität einstellen, bis ich mit dem Ergebnis zufrieden bin, oder gibt es eine formellere / elegantere Lösung? Kann ich die Phasenverschiebung auch irgendwie durch Verwendung von Kapazität / Induktivität kompensieren?
@BrianDrummond Sie können C1 nicht aus der Mathematik eliminieren, da L2, C1 und C2 eine Spannungsverstärkung von etwa 6 dB hinzufügen (wenn C1 = C2) und, was wichtig ist, wenn Sie den Einfluss von rE betrachten, ihn gemäß meiner Antwort zum Schwingen bringen, dh C = C1 in Reihe mit C2. Es gibt mehr Spannungsverstärkung als nötig, daher ist die Sinuswellenform nie perfekt. Es kann verbessert werden, indem der Emitter über 10 bis 100 Ohm an die Verbindungsstelle von C1 und C2 angeschlossen wird. Wenn Sie jedoch den Widerstand erhöhen, verringern Sie die Schleifenverstärkung allmählich bis zu dem Punkt, an dem ein Kaltstart verweigert wird.
@AnthropomorphousDodecahedron Verwenden Sie einen Widerstand, wie in meinem obigen Kommentar erwähnt, und verwenden Sie einen schnelleren Transistor - Sie möchten, dass die Oszillationsfrequenz weitgehend durch die Induktivität und die Kondensatoren definiert wird, nicht durch das Silizium. In einem 10-MHz-Colpitts-Oszillator, den ich kürzlich erstellt habe, wollte ich einen minimalen Einfluss des BJT, also habe ich einen mit einem fT von 5 GHz ausgewählt.
Ich verstehe. Habe heute nach schnellen Transistoren gesucht und die schnellsten, die sie hier bekommen haben, sind 300 MHz. Der Widerstand ist jedoch machbar. Ich habe den C3-Wert reduziert und mit C1 und C2 herumgespielt und bin jetzt bei 20 MHz. Danke für die Hilfe!
Ein C3-Wert von mehr als 10 nF wird möglicherweise eine parasitäre Induktivität in Reihe mit Ihrer oszillierenden Induktivität hinzufügen. Für meinen 10-MHz-Oszillator habe ich 1 nF verwendet, und wenn Ihrer nicht startet, liegt das Problem meiner Meinung nach woanders.
Die Schwingungen begannen bei 100 pF, ich bin mir nicht sicher, welche Änderungen das genau verursacht haben, aber da ist das. Gehe ich zu Recht davon aus, dass die parasitäre Induktivität bei dieser Frequenz in der Größenordnung von mehreren zehn nH oder mehr liegen würde?
Sie können diese Informationen im Internet abrufen, z. B. unter: i.stack.imgur.com/zmMpK.gif - Ich habe mit "Eigenresonanz von Kondensatoren" gesucht. Siehe auch diese Fragen und Antworten: electronic.stackexchange.com/questions/172447/…

Sie haben einen Colpitts mit 9 reaktiven LC-Komponenten.

Diese Konfig. kann für die Ausgabe suboptimal sein, um Ihre Anforderungen an Linearität und 2 Vpp 27 MHz an 50 Ohm zu erfüllen. Es verwendet eine Emitterdrossel, um die Q- und Quellenimpedanz in die "Pi"-Filterrückkopplung zu erhöhen, kann jedoch bei reaktiven Lasten etwas störend sein.

Ich habe es zu einem gemeinsamen Emitter mit hinzugefügten Rs geändert, um die Basisimpedanz zu linearisieren und die Verstärkung mit R-Verhältnissen zu regulieren, um einen einigermaßen ausgeglichenen sinusförmigen Ausgang für die verwendete Last und V + zu erhalten.

Hier ist meine interaktive Simulation. Es ist ein bisschen stromhungrig, da diese Klasse einen geringen Wirkungsgrad hat und durch die Farbzuordnung in Rot angezeigt wird.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die AC-gekoppelte Kollektorlast muss immer etwas größer sein als der Rc-Wert zu V+, um zu verhindern, dass der Kollektorstrom verhungert.

C1 oder C2 können mit einem Varicap mit verschiedenen Konfigurationen wie L- oder T-Teiler abgestimmt werden, ist ein anderes Thema.

Theoretisch mit Vernachlässigung der Miller-Kapazität, L C = 1 ω 2 also 27MHz, 1uH, Ceff=34,7pF und in dieser Simulation 70//72pF=35,5pF zeigt eine gute Übereinstimmung.

Beachten Sie, dass eine Asymmetrie vorhanden ist, die direkt aus den Spitzenausgängen meines Oszilloskops berechnet werden kann. max + min (/Mittelwert*100 %) für wechselstromgekoppelten 50-Ohm-Ausgang oder 1,17 Vmax, -1,10 Vmin oder +-3 % Verzerrung.
Danke, das hilft wirklich. Soweit ich weiß, verhinderte die Emitterdrossel, dass das Signal im ursprünglichen Design im Grunde genommen in den Boden ging. Was erfüllt in Ihrem Design die gleiche Funktion (wenn es überhaupt notwendig ist)?
Colpitts gibt es in allen 3 gängigen Pins; CB-Basis, CC-Kollektor und CE-Emitter. Ausgangsimpedanzen für CC mit Ausgang am Emitter sind niedriger und neigen dazu, Q zu reduzieren. Meins ist CE mit Stromquelle aus. L ist also notwendig, um die Quelle Z(f) im Emitter anzuheben, aber nicht für CE. Hast du meine Sim ausprobiert?
Ich weiß nicht, wo "Colpitts" endet und "Pierce" beginnt (ich denke, es hängt davon ab, wo Sie Boden auftragen). Scheint eine gute Anordnung zu sein, um eine Last mit niedriger Impedanz zu treiben. Es erfordert immer noch einen guten lokalen Bypass-Kondensator von der DC-Versorgung zur Erde. Wenn Sie die Leistung auf diese Weise erhöhen, kann das Design etwas skurril werden.
Guter Anruf @glen_geek, es ist eher ein Pierce, der Emitter als AC Gnd hat, aber meiner Meinung nach besser funktioniert. So kann eine verbesserte Stabilität kleine Re hinzufügen. jedoch muss der DC-Standby-Strom die AC-Stromspitze in dieser mit C-gekoppelter Last überschreiten, wenn die Schleife geöffnet ist
Ich habe die Simulation ausprobiert und ein bisschen damit herumgespielt. Als ich es jedoch gebaut habe, wollte es nicht starten. Ich versuche es jetzt zu beheben.
Interessanterweise sagt LTSpice auch, dass es nicht funktioniert: prntscr.com/gbuvo1 . Ich bin mir nicht sicher, ob ich etwas falsch mache oder ob der Falstad-Simulator es ist.
Leider war das Design sehr empfindlich gegenüber hFE, um eine Schleifenverstärkung nahe Eins zu erreichen, und das Falstad-Modell ist ideal mit konstantem hFE, das sich mit Vbe, Ic und Vce ändert. Ziehen Sie also das Rückkopplungs-R ab und reduzieren Sie die anderen Rs um 50% oder bis die Oszillation aufrechterhalten wird. oder zurück zum DWG-Brett, wie sie sagen. Das Design hat schwierige Einschränkungen, und man ist besser dran, einen Keramikresonator zu verwenden oder bei der Geräteauswahl und der adaptiven Verstärkungsregelung besser darauf zu achten.
Seltsames Verhalten eines Colpitts-Oszillators
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