Kondensatoren des Colpitts-Oszillators

Einfacher Colpitts-Oszillator

Ich habe mehr darüber gelesen, wie Oszillatoren funktionieren, und einer der einfacheren ist der Colpitts-Oszillator. Mein Verständnis ist, dass zwei Kondensatoren in Kombination mit der Induktivität Schwingungen bei einer bestimmten Frequenz erzeugen können und der Transistor dafür sorgt, dass die Schwingungen bestehen bleiben. Andere Schaltpläne verwenden zusätzliche Kondensatoren, über die ich mir nicht im Klaren bin, von denen ich jedoch glaube, dass sie die Frequenz nicht beeinflussen, es sei denn, sie sind Teil des Tankkreises. Ich bin definitiv verwirrt darüber, wie die Werte der Kondensatoren relativ zueinander sein sollten, da einige Schaltpläne die Verwendung von Kondensatoren mit denselben Werten oder zwei unterschiedlichen Werten vorschlagen, und ich bin mir nicht sicher, wie oder ob sich dies auf den Ausgang der Schaltung auswirkt (wenn Sie zwei Kondensatoren mit dem gleichen Wert oder zwei mit unterschiedlichen Werten hatten, aber ihre kombinierte Kapazität gleich war). Auch, Welcher Teil des Oszillators wird im Allgemeinen für die Ausgabe verwendet? Sollten es der Kollektor und der Emitter sein, um eine vollständige Wechselstromwellenform zu erhalten?

Sie haben einen gültigen Oszillator vom Typ Pierce angezeigt , nicht Colpitts . Es ist also schwer zu sagen, ob Sie wirklich wissen wollen, wie ein Colpitts funktioniert.
@glen_geek Ich weiß nicht, wie ich sie unterscheiden kann. Es geht nur darum, die Dinge in deinem Kopf umzudrehen, fast, denke ich. Siehe: Colpitts-Oszillator , wo es heißt: "Der Pierce-Oszillator mit zwei Kondensatoren und einer Induktivität entspricht dem Colpitts-Oszillator." Dann schauen Sie sich diese Maxim App Note an .
Hier sind einige gute Informationen: Colpitts-Oszillator = eine Festfrequenz mit 2 Kondensatoren und einer Induktivität erzeugen. Pierce-Oszillator = mit 2 Kondensatoren und einem Kristall eine feste Frequenz erzeugen. Hartley-Oszillator = mit 2 Induktivitäten und einem Kondensator eine feste Frequenz erzeugen. Egal ob npn/bjt/nmos/pmos/cmos/andere Transistoren. Dieser ist insbesondere ein Colpitts-Oszillator .
Paraphrasieren von Dr. Feynmans Vater, der als Junge mit ihm sprach; über die Namen von Dingen sagte er: „Man kann den Namen von etwas in jeder Sprache der Erde kennen. Und überhaupt nichts darüber wissen. Also lasst uns beobachten und lernen.“
@glen_geek Hat der Pierce-Oszillator keinen Kristall (und einen Inverter)?
@KingDuken Pierce kann Kristall oder Induktor haben. In jedem Fall hat dieser Zweig eine induktive Reaktanz bei der Schwingungsfrequenz. Und ja, das Feedback des Pierce vom Kollektor zur Basis hat eine Phaseninversion (in Bezug auf Masse).
@jonk Ich stimme Ihrer Anmerkung zu Namen auf jeden Fall zu. Aber wo Sie die Masse bezüglich dieser beiden Kondensatoren anwenden, ist wichtig. Colpitts hat Knoten, die meistens in Phase sind. Pierce erfordert eine Phaseninversion des Ausgangs des Verstärkungsgeräts vor der Rückkopplung. Das Verstärkungsgerät in Colpitts sieht aus wie ein gemeinsamer Kollektor, verglichen mit dem gemeinsamen Emitter eines Pierce.
@glen_geek Hast du die Referenzen überprüft, die ich dir gegeben habe? Sie sind in diesem Punkt ziemlich spezifisch und ... es widerspricht auch nicht meiner Einstellung dazu. Es ist nur eine Frage, wo Sie Ihre mentalen Referenzen platzieren. Und da das in meinem Kopf ziemlich flexibel ist, habe ich keine Lust, den von mir angegebenen Referenzen zu widersprechen. Sie sind wahrscheinlich "ungefähr richtig". Aber ich habe auch gesagt, dass ich mich in allen Fragen meinen Vorgesetzten unterwerfe. Hier geht es wohl darum, wer...
Zur Phasenumkehr: Bitte beachten Sie, dass alle hier diskutierten Oszillatoren in Emitterschaltung (mit Phasenumkehr) oder in Basisschaltung (ohne Phasenumkehr) realisiert werden können.

Antworten (3)

Der gemeinsame Kollektor-Colpitts-Oszillator ist nicht das, was Sie gezeichnet haben. Es ist so: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Und hier ist ein Dokument, das ich geschrieben habe, das die Schwingungsfrequenz ableitet und über das Kondensatorverhältnis spricht: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Obwohl ich die Details in Ihrer Antwort mit Frequenz und Spannung schätze, möchte ich, dass Sie mir klarstellen, was C1 und C2 in dem von Ihnen geposteten ersten Diagramm sind. Ich sehe einen variablen Kondensator mit der Bezeichnung C1, bin mir aber nicht sicher, ob das C1 in der Frequenzgleichung ist. Darf ich fragen; Gehe ich basierend auf der Gleichung für die Frequenz richtig in der Annahme, dass die beiden vertikal ausgerichteten Kondensatoren im Diagramm und L1 die Komponenten sind, die benötigt werden und die Frequenz bestimmen? Werden der horizontale 1n0-Kondensator und die Variable im 1. Diagramm benötigt?
@Tom ja, es war ein bisschen verwirrend, also habe ich das obere Diagramm geändert, um es klarer zu machen. Ich habe auch den Wert des DC-Blockkondensators erhöht (es verhindert, dass die Vorspannung an der Basis gegen Masse / 0 Volt kurzgeschlossen wird).
Oh, das klärt es definitiv auf. Die Schaltung hätte eine parasitäre Kapazität, richtig? Außerdem sollten sich die Widerstandswerte nur auf den Strom auswirken, oder?
Die Widerstandswerte legen den Arbeitspunkt und die Kollektor/Emitter-Gleichströme fest.

Der Schlüssel zum Entwerfen einer funktionierenden Oszillatorschaltung besteht darin, das Grundprinzip der Rückkopplungsanordnung zu kennen.

Die Oszillationsbedingung (Barkhausen) erfordert eine (positive) Schleifenverstärkung von eins (oder - aus praktischen Gründen - etwas größer als eins). Das bedeutet: Rückkopplung mit Nullphasenverschiebung. Da es eine Phaseninversion zwischen Basis und Kollektor des Transistors gibt (180-Grad-Phasenverschiebung), benötigen wir ein Rückkopplungsnetzwerk, das eine weitere 180-Grad-Phasenverschiebung bei einer einzigen Frequenz erzeugen kann.

Diese Oszillatortypen (Colpitt, Pierce, Clapp) verwenden dazu ein Tiefpass- oder Hochpassnetzwerk 3. Ordnung (Leitertopologie).

Die gegebene Schaltung enthält ein Tiefpassleiternetzwerk 3. Ordnung:

(100+1k)-C2-L-C1.

Sie müssen also nichts weiter tun, als die Übertragungsfunktion der passiven Rückkopplungsschaltung (Tiefpass) zu finden und die richtigen Teilewerte auszuwählen, um eine Phasenverschiebung von -180 Grad bei der gewünschten Oszillationsfrequenz zu realisieren. (Natürlich können auch entsprechende Formeln aus der Literatur verwendet werden).

Kommentar 1: Wie Sie sicher bemerkt haben, habe ich den Begriff "Tankkreislauf" überhaupt nicht erwähnt. Das Arbeitsprinzip des Oszillators lässt sich am besten anhand der Tiefpassansicht erklären.

Anmerkung 2: Der Transistor benötigt einen geeigneten DC-Bias-Punkt – sonst kann man keine sinusförmige Ausgangsspannung erwarten.

Kommentar 3: Es ist eine einfache Aufgabe, die Frequenz zu finden, für die die Phasenverschiebung 180 Grad beträgt. Finden Sie den Imaginärteil der Übertragungsfunktion für das passive Rückkopplungsnetzwerk - und stellen Sie das Bild ein. Teil gleich Null )weil bei 180 Grad Phasenverschiebung die Funktion negativ-reell ist). Löse dann nach der Frequenz wo auf.

Wir haben eine Wippe, in die wir Energie einspeisen. Anfänglich ist die Energie nur verstärktes thermisches Rauschen, wahrscheinlich einige moderate Nanovolt, es sei denn, das Rauschen der Stromversorgung tritt bei der Fosc-Frequenz auf

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Wenn der Verstärker (der NOT1) eine Verstärkung von -10x hat, wird das Signal bei jedem Durchgang durch das Wippen-Resonanzfilter ungefähr 10x ansteigen. Beginnend bei einigen Nanovolt wächst die Amplitude, eingeschränkt bei jedem Durchgang durch die Fähigkeit, Energie durch den 100-Ohm-Widerstand in den C2-Kondensator zu übertragen.

Kondensatoren des Colpitts-Oszillators
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