Wie funktioniert dieser Oszillator im Funksender?

Es fällt mir schwer zu verstehen, wie der Oszillator in dieser Schaltung funktioniert. Der Oszillator verwendet Varicap-Dioden V1, um die Oszillationsfrequenz zu ändern.

Es ist ein gewöhnlicher Kollektor-Colpitts-Oszillator nach Moorstandard: -

Diese Schaltung unterscheidet sich jedoch stark von einem Standard-Colpitts-Oszillator, der zwei Kondensatoren und eine Induktivität verwendet.

Nein, es ist eine Standardkonfiguration des Colpitts-Oszillators mit gemeinsamem Kollektor. Es verwendet zwei Kondensatoren und einen Induktor (C7, C8 und L), wobei V1 die Nettokapazität optimiert und eine Frequenzmodulation erzeugt.

In einem Standard-Colpitts-Oszillator ist die Lücke zwischen den Kondensatoren geerdet, während sie hier mit dem Widerstand R8 verbunden ist. Warum?

Nein, es gibt drei standardmäßige BJT-Oszillatoren von Colpitts , und Sie sind nur noch nicht auf die Common-Collector-Version gestoßen. Recherchieren Sie auf Google. Ein Beispiel: -

Bild der drei standardmäßigen Colpitts-Oszillatoren von hier .

Ich verstehe eigentlich nicht einmal, was der Zweck von C7 und C8 ist, wenn der Tankkreis bereits von V1 und L gebildet wird

Der Tank ist nicht ganz so geformt. Sie müssen einige Nachforschungen anstellen, warum es auf C7 und C8 angewiesen ist, und der Varaktor V1 modifiziert Dinge, um eine FM-Modulation durchzuführen.

Und ein Standard-Colpitts-Oszillator hat einen Schwingkreis, der mit dem Kollektor verbunden ist, damit ein Transistor eine 180°-Phasenverschiebung erzeugt, aber hier ist er mit dem Emitter verbunden, also gibt es keine Phasenverschiebung.

Nein, es gibt drei Standards und es scheint, dass Sie bisher nur einen davon kennengelernt haben. Alle drei erzeugen eine Phasenverschiebung von 180°.

Ich verstehe nicht, wo es genug Phasenverschiebung bekommt, um es zum Schwingen zu bringen.

• Versuchen Sie dies zB mit voller Ableitung der Schwingfrequenz
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Wie funktioniert dieser Oszillator im Funksender?

Studieren Sie zuerst die Theorie hinter dem Colpitts-Oszillator mit gemeinsamem Kollektor und erkennen Sie, dass die vom Mikrofon erzeugte Spannung die Kapazität über der Induktivität (über die Varicap-Dioden) moduliert, und daraus ist klar, dass dies ein Frequenzmodulator ist.

Q2 ist nur ein HF-Verstärker. Bitte beachten Sie auch, dass die Verwendung wahrscheinlich illegal ist.

Simulation mit BC547 - Ziel etwa 100 MHz

Es oszilliert bei 100,6 MHz.

Diese Schaltung unterscheidet sich jedoch stark von einem Standard-Colpitts-Oszillator, der zwei Kondensatoren und eine Induktivität verwendet. In einem Standard-Colpitts-Oszillator ist die Lücke zwischen den Kondensatoren geerdet, während sie hier mit dem Widerstand R8 verbunden ist. Warum?

Dies ist sehr ähnlich wie ein Standard-Colpitts-Oszillator, Sie denken einfach nicht flexibel genug. Um alle Aromen von Colpitts zu verstehen, müssen Sie zunächst akzeptieren, dass "Boden" nur eine willkürliche Sache ist, die der Designer aus Bequemlichkeit wählt. Der Kern eines jeden Colpitts ist dies*:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Beachten Sie zwei Dinge: Erstens wird der Boden nicht ausgerufen; Zweitens gibt es keine Vorspannung oder Stromversorgung. Um dies zu einem konkreten Colpitts-Oszillator zu machen, wählen Sie zuerst einen der Transistorstifte auf Masse, dann fügen Sie Vorspannung und Leistung hinzu.

Die Wahl, einen Transistorpin zu erden, macht den Oszillator zu einem gemeinsamen Emitter-Oszillator (was Sie anscheinend gewohnt sind), einem gemeinsamen Kollektor-Oszillator (was der Schaltplan angibt) oder einem gemeinsamen Basisoszillator.

Im Fall dieses Oszillators ist der Kollektor für Wechselstromsignale geerdet, erstens, weil die Stromschiene für HF geerdet ist, und zweitens, weil C6 den HF-Strom vom Kollektor zur Erde führt (und wenn die Schaltung physikalisch gut ausgelegt ist, wird geschlossen sein zu Q1).

Damit das Ding tatsächlich funktioniert, spannen R6, R7 und R8 den Transistor in seinen Betriebsbereich vor, und R8 führt den Emitterstrom auf Masse. C5 wird hinzugefügt, um zu verhindern, dass die Spule L die Basis mit Masse kurzschließt (Sie werden vielleicht feststellen, dass C5 eine deutlich höhere Kapazität als C7 und C8 hat, aber das muss nicht sein - viel höher bedeutet, dass der Designer es wollte wirkt wie ein Kurzschluss bei Wechselstrom; niedriger bedeutet, dass der Konstrukteur seinen Wert absichtlich gewählt hat, um die Resonanzfrequenz zu beeinflussen).

Wenn Sie V1 ignorieren, haben Sie einen einfachen Colpitts-Oszillator mit gemeinsamem Emitter. Was V1 tut, ist, etwas Kapazität über die Spule hinzuzufügen. Diese Kapazität verschiebt die Resonanzfrequenz des Tanks nach unten, und da V1 spannungsvariabel ist, kann diese Frequenzverschiebung elektronisch eingestellt werden.

Ich würde das erwarten, solange Q1 ist$f_T$deutlich höher ist als die Entwurfsfrequenz der Schaltung, entspricht die tatsächliche Schwingungsfrequenz ungefähr der Reihenschaltung von C5, C7 und C8 parallel zur Kapazität von V1, die alle mit der Spuleninduktivität in Resonanz sind.

* Ich bin mir ziemlich sicher, dass diese Behandlung ursprünglich aus Wes Haywards „Introduction to RF Circuit Design“, ARRL 2000, stammt.

Die Schwingung erfolgt bei der Frequenz, bei der die gesamte Phasenverschiebung des Verstärkers und der Rückkopplungsschaltung genau 360 Grad oder ihr Vielfaches beträgt - einschließlich null Grad. Der Verstärker kehrt in diesem Fall die Phase nicht um, aber eine starke kapazitive Last verursacht eine Phasenverzögerung von mehreren zehn Grad. Aber die Phasenverschiebung des LC-Kreises hebt es auf und das passiert nahe der Resonanzfrequenz des LC-Kreises, weil die Phasenverschiebung dort stark von der Frequenz abhängt. Die Resonanz erhöht die Spannung, sodass alles vorhanden ist, was für die Oszillation benötigt wird. Es kann durch Simulation erforscht werden:

Ich schätzte die Ausgangsimpedanz des Emitterfolgers auf 100 Ohm und die Gesamtlastwiderstände des LC-Kreises auf 3 kOhm. Der Simulator traf nicht nur den 0-Grad-Phasenverschiebungspunkt, sondern ziemlich nahe. Wir haben guten Grund zu der Annahme, dass es bei der Gesamtphasenverschiebungsfrequenz von 0 Grad zu einer gewissen Spannungsanhebung kommt.

Übrigens, wenn eine Reihe von L und C an eine Signalquelle angeschlossen ist, die nahe dem Resonanzfrequenzsignal ausgibt, sind die Spannungen über der Induktivität und über dem Kondensator höher als der Ausgang der Signalquelle, vorausgesetzt, es gibt nicht zu viele Verluste oder Widerstandsbelastung . Man kann dies leicht mit dem üblichen komplexen Zeigerkalkül beweisen.

Eine genauere Simulation ist möglich, indem ich die Emitterfolger-Verstärkerschaltung anstelle meines 100-Ohm-Widerstands ändere. Der richtige Transistor und die richtige DC-Vorspannung sind wichtig, da die HF-Eigenschaften von Transistoren bei Frequenzen von nur 100 MHz berücksichtigt werden müssen.

Simuliert man im Transientenanalysemodus die Schaltung mit geschlossener Rückkopplungsschleife, sieht man die Schwingfrequenz. Es ist so genau wie die Teilemodelle in der Simulation. Wir versuchen es jetzt:

Es schwingt, aber die Wellenform ist nicht so sauber Sinus. Das liegt daran, dass die Schwingungsamplitude so hoch wie möglich wird, bis der Verstärker anfängt, stark zu verzerren. Ein besserer Sinus erfordert eine cleverere Amplitudenstabilisierung als eine Verzerrung.

Die Frequenz beträgt etwa 91 MHz. Es sind 3 MHz weniger als in der idealisierten Phasenverschiebungsschätzung vorhergesagt. Es wird durch die Kapazität des Transistors und wahrscheinlich durch die nicht so perfekte Schätzung der Ausgangsimpedanz des Verstärkers verursacht. Außerdem macht die Verzerrung im Verstärker alle auf Linearität basierenden Dinge (zB das Ausgangsimpedanz-Konzept) mehr oder weniger falsch.

Die Schwingungsfrequenz konnte näherungsweise berechnet werden. Wie gesagt, es liegt nahe der Resonanzfrequenz des LC-Kreises.

Bastler haben ein besonders ärgerliches Problem, das in der Praxis den Nutzen exakter Hochfrequenz-LC-Kreisberechnungen radikal mindert: Sie haben keine praktischen Mittel, um Sub-uH-Induktoren zu messen, noch bauen sie eine mit vorher bekannter Induktivität. Theoretisch könnte man die Resonanzfrequenz mit einem bekannten Kondensator messen, aber das erfordert teure Messgeräte. Ein Multimeter reicht nicht.

Eine praktische Möglichkeit besteht darin, die Spule dehnbar und zusammendrückbar zu machen und das Sendersignal mit einem Funkempfänger zu finden. Der Frequenzabstimmbereich des Senders kann leicht außerhalb des Frequenzbereichs eines leicht erhältlichen Funkempfängers liegen, aber es hilft, die Spule durch Dehnen und Quetschen mechanisch einstellbar zu machen. Wenn Sie das 88-105-MHz-Band anstreben, verwenden Sie zunächst eine Spule mit 4 ... 6 Windungen als Wendel mit 1/3 Zoll Durchmesser und 1/10 Zoll Abstand zwischen den Windungen. Der Draht muss nicht isoliert und so dick sein, dass die Spule ohne jede Unterstützung ihre Form behält.

Wie kann das funktionieren? Wie kann ein Oszillator funktionieren, wenn seine Induktivität ausgeschaltet ist? Antwort: Oszillatoren können auch funktionieren, wenn sie nicht nach optimalen Prinzipien entworfen wurden. Optimale Designs waren früher ein Muss, als die Verstärkerkomponenten viel weniger leistungsfähig waren als heute, sagen wir vor 100 Jahren, als es in den 1950er Jahren nur Triodenröhren oder Transistoren mit niedriger Verstärkung gab. Heutzutage haben Transistoren so viel Verstärkung, dass man seinen Oszillator auch ohne Berechnungen mit 100 MHz zum Laufen bringen kann, wenn man sich nur grob daran erinnert, wie groß Induktivitäten und Kondensatoren man in funktionierenden Schaltungen gesehen hat (plus 100%, minus 50% genau). Haben Sie eine 10x höhere Frequenz, sagen wir 1 GHz. Da geht nichts ohne richtiges theoriebasiertes Design.

C9 sollte getrennt werden, solange Sie nicht sicher sind, ob es schwingt. Wenn es schwingt, sollte es ohne Antenne in der Nähe gut erkennbar sein. Kein HF-Verstärker = eine mögliche Fehlerquelle weniger.

Nicht gefragt: Es gibt eine HF-Verstärkerstufe nach dem Oszillator. Theoretisch sollte es harmlos sein (siehe ANMERKUNG 1), es verhindert nur, dass die Antenne Abstimmungsprobleme verursacht, wie sie dazu neigen, wenn sie direkt mit dem Oszillator verbunden sind. Aber ohne sorgfältiges Strukturdesign ist es gut möglich, dass Sie einen zweistufigen Oszillator haben, der sich auf unerwartete Weise verhält. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb ist keine Rückkopplung von der Antennenseite auf den Schwingkreis zulässig. Es ist möglich, dass Sie ein Metallgehäuse für den Oszillator benötigen, um die Rückkopplung vom Ausgang fernzuhalten.

Gehen Sie nicht davon aus, dass dies funktionieren würde, wenn es auf einem Steckbrett aufgebaut ist. Die Schaltung hält die Kapazitäten des Steckbretts nicht aus. Alle Drähte im HF-Kreis sollten so kurz wie möglich gehalten werden, sagen wir, ein halber Zoll ist das Maximum.

ANMERKUNG 1: Damit kann man (über die richtige Anpassungsschaltung) eine Antenne einfügen, die seinen Sender auf Entfernungen so lange hörbar machen kann, dass die Polizei eintrifft. Es hilft überhaupt nicht, dass einfache Sender leicht starke Obertöne erzeugen =>> Sie haben einen Haufen Frequenzen gestört oder für Ihre Sendungen verwendet, die an andere verkauft werden.