Theo nhiều cách, Mạch dao động Colpitts hoàn toàn trái ngược với Bộ dao động Hartley mà chúng ta đã xem xét trong hướng dẫn trước. Cũng giống như bộ tạo dao động Hartley, mạch bình điều chỉnh bao gồm một mạch phụ cộng hưởng LC được kết nối giữa cực C và cực B của bộ khuếch đại bóng bán dẫn một tầng tạo ra dạng sóng đầu ra hình sin.
Cấu hình cơ bản của Bộ tạo dao động Colpitts giống với Bộ tạo dao động Hartley nhưng sự khác biệt lần này là đầu ra được lấy ở điểm giao nhau của “bộ chia điện dung” thay vì cuộn cảm loại biến áp tự động có đầu nối như trong bộ dao động Hartley.
Mạch dao động Colpitts
Mạch dao động Colpitts sử dụng mạng phân áp điện dung làm nguồn phản hồi của nó. Hai tụ điện C1 và C2 được đặt trên một cuộn cảm chung duy nhất, L như hình vẽ. Khi đó C1 , C2 và L tạo thành mạch bình điều chỉnh với điều kiện để có dao động là: X C1 + X C2 = X L , giống như đối với mạch dao động Hartley.
Ưu điểm của kiểu cấu hình mạch điện dung này là ít tự cảm và điện cảm lẫn nhau trong mạch cộng hưởng, độ ổn định tần số của bộ dao động được cải thiện cùng với thiết kế đơn giản hơn.
Giống như bộ dao động Hartley, bộ dao động Colpitts sử dụng bộ khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực một tầng làm phần tử khuếch đại tạo ra đầu ra hình sin. Hãy xem xét mạch dưới đây.
Mạch dao động Colpitts cơ bản
Đầu cực E của bóng bán dẫn được kết nối hiệu quả với đường giao nhau của hai tụ điện, C1 và C2 được mắc nối tiếp và hoạt động như một bộ chia điện áp đơn giản. Khi nguồn điện được đặt vào, tụ C1 và C2 được sạc và sau đó xả qua cuộn dây L . Các dao động trên các tụ điện được áp dụng cho điểm giao nhau của B-E và xuất hiện trong bộ khuếch đại ở đầu ra cực C.
Các điện trở, R1 và R2 cung cấp phân cực DC ổn định thông thường cho bóng bán dẫn theo cách bình thường trong khi các tụ điện bổ sung hoạt động như một tụ điên bypass chặn DC. Một cuộn cảm tần số vô tuyến (RFC) được sử dụng trong mạch thu để cung cấp điện trở cao (lý tưởng là mạch hở) ở tần số dao động, ( ƒr ) và điện trở thấp ở DC để giúp bắt đầu dao động.
Sự dịch chuyển pha bên ngoài cần thiết thu được theo cách tương tự như trong mạch dao động Hartley với phản hồi dương cần thiết thu được cho các dao động tắt dần. Lượng phản hồi được xác định bởi tỷ lệ C1 và C2 . Hai tụ điện này thường được “nhóm lại” với nhau để cung cấp một lượng phản hồi liên tục để khi một điện dung được điều chỉnh, điện dung kia sẽ tự động tuân theo.
Tần số dao động của một bộ dao động Colpitts được xác định bởi tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng LC và được cho là:
Trong đó C T là điện dung của C1 và C2 mắc nối tiếp và được cho là:
Cấu hình của bộ khuếch đại bóng bán dẫn là Bộ khuếch đại E chung với tín hiệu đầu ra lệch pha 180 o đối với tín hiệu đầu vào. Sự dịch pha bổ sung 180 o cần thiết cho dao động đạt được là do hai tụ điện mắc nối tiếp với nhau nhưng song song với cuộn dây cảm ứng dẫn đến độ lệch pha tổng thể của mạch bằng không hoặc 360 o .
Lượng phản hồi phụ thuộc vào giá trị của C1 và C2 . Chúng ta có thể thấy rằng điện áp trên C1 giống như điện áp đầu ra của bộ dao động, Vout và điện áp trên C2 là điện áp phản hồi của bộ dao động. Khi đó điện áp trên C1 sẽ lớn hơn nhiều so với điện áp trên C2 .
Do đó, bằng cách thay đổi các giá trị của tụ điện, C1 và C2 chúng ta có thể điều chỉnh lượng điện áp phản hồi trở lại mạch cộng hưởng. Tuy nhiên, lượng phản hồi lớn có thể làm cho sóng sin đầu ra bị méo, trong khi lượng phản hồi nhỏ có thể không cho phép mạch dao động.
Sau đó, lượng phản hồi được phát triển bởi bộ dao động Colpitts dựa trên tỷ lệ điện dung của C1 và C2 và là thứ chi phối sự kích thích của bộ dao động. Tỷ lệ này được gọi là “phần phản hồi” và được đưa ra đơn giản là:
Ví dụ về Colpitts Oscillator Số 1
Một mạch dao động Colpitts có hai tụ điện lần lượt là 24nF và 240nF được mắc song song với cuộn cảm có cường độ 10mH. Xác định tần số dao động của mạch, phần hồi tiếp và vẽ mạch điện.
Tần số dao động của Bộ tạo dao động Colpitts được cho là:
Vì đoạn mạch colpitts gồm hai tụ điện mắc nối tiếp nên tổng điện dung là:
Độ tự cảm của cuộn cảm đã cho là 10mH thì tần số dao động là:
Do đó, tần số dao động của Bộ dao động Colpitts là 10,8kHz với phần phản hồi được cho là:
Mạch dao động Colpitts
Colpitts Oscillator sử dụng Op-amp
Cũng giống như Bộ tạo dao động Hartley trước đây , cũng như việc sử dụng bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT) làm tầng hoạt động của bộ tạo dao động, chúng ta cũng có thể là một bộ khuếch đại hoạt động, (op-amp). Hoạt động của Op-amp Colpitts Oscillator hoàn toàn giống như đối với phiên bản transistorised với tần suất hoạt động được tính theo cùng một cách. Hãy xem xét mạch dưới đây.
Mạch Op-amp Colpitts Oscillator
Lưu ý rằng là cấu hình bộ khuếch đại đảo ngược, tỷ lệ R2 / R1 đặt độ lợi của bộ khuếch đại. Cần đạt được tối thiểu 2,9 để bắt đầu dao động. Điện trở R3 cung cấp phản hồi cần thiết cho mạch bình LC.
Ưu điểm của Bộ tạo dao động Colpitts so với Bộ dao động Hartley là Bộ tạo dao động Colpitts tạo ra dạng sóng hình sin tinh khiết hơn do các đường dẫn trở kháng thấp của tụ điện ở tần số cao. Cũng do các đặc tính điện dung này mà bộ dao động Colpitts dựa trên FET có thể hoạt động ở tần số rất cao. Tất nhiên, bất kỳ op-amp hoặc FET nào được sử dụng làm thiết bị khuếch đại phải có thể hoạt động ở tần số cao cần thiết.
Tóm tắt Colpitts Oscillator
Tóm lại, Colpitts Oscillator bao gồm một mạch bể cộng hưởng LC song song có phản hồi đạt được bằng cách của một bộ chia điện dung. Giống như hầu hết các mạch dao động, bộ dao động Colpitts tồn tại ở một số dạng, với dạng phổ biến nhất là tương tự như mạch bán dẫn ở trên.
Khai thác trung tâm của mạch phụ bể chứa được thực hiện tại điểm giao nhau của mạng “bộ chia điện dung” để cấp một phần nhỏ tín hiệu đầu ra trở lại Cực E của bóng bán dẫn. Hai tụ điện mắc nối tiếp tạo ra sự lệch pha 180 o và ngược pha 180 o để tạo ra phản hồi dương cần thiết. Tần số dao động là điện áp thuần sóng hình sin được xác định bằng tần số cộng hưởng của mạch bình.
Trong hướng dẫn tiếp theo về Bộ tạo dao động, chúng ta sẽ xem xét Bộ tạo dao động RC sử dụng điện trở và tụ điện làm mạch tăng của nó để tạo ra dạng sóng hình sin.