Bộ dao động Colpitts

Bộ tạo dao động là một cấu trúc cơ học hoặc điện tử tạo ra dao động phụ thuộc vào một vài biến số. Tất cả chúng ta đều có các thiết bị cần bộ dao động như đồng hồ truyền thống hoặc đồng hồ đeo tay. Nhiều loại máy dò kim loại, máy tính có liên quan đến vi điều khiển và vi xử lý sử dụng bộ dao động, đặc biệt là bộ dao động điện tử tạo ra các tín hiệu tuần hoàn. Chúng tôi đã thảo luận về một số bộ dao động trong các hướng dẫn trước của chúng tôi:

• Bộ dao động dịch chuyển pha RC
• Wein Bridge Oscillator
• Bộ dao động tinh thể thạch anh
• Mạch dao động dịch pha
• Bộ dao động điều khiển điện áp (VCO)

Máy tạo dao động Colpitts được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Edwin H. Colpitts vào năm 1918. Máy tạo dao động Colpitts hoạt động với sự kết hợp của cuộn cảm và tụ điện bằng cách tạo thành một bộ lọc LC. Giống như các bộ dao động khác Bộ dao động Colpitts bao gồm một thiết bị khuếch đại, và đầu ra được kết nối với một vòng phản hồi mạch LC. Bộ dao động Colpitts là bộ dao động tuyến tính tạo ra dạng sóng hình sin.

Mạch xe tăng

Thiết bị dao động chính trong bộ dao động Colpitts được tạo ra bằng cách sử dụng mạch bể. Các mạch bể bao gồm ba một cuộn cảm components- và hai tụ. Hai tụ điện mắc nối tiếp, các tụ điện này lại mắc song song với cuộn cảm.

Trong hình trên, ba thành phần của mạch bể được hiển thị với các kết nối thích hợp. Quá trình bắt đầu bằng việc nạp điện cho hai tụ điện C1 và C2. Khi đó bên trong mạch bình, hai tụ điện mắc nối tiếp này phóng điện vào cuộn cảm song song L1 và năng lượng tích trữ trong tụ truyền sang cuộn cảm. Do tụ điện mắc song song nên lúc này cuộn cảm do hai bản tụ phóng điện ra và tụ điện bắt đầu tích điện trở lại. Quá trình sạc và xả ở cả hai thành phần vẫn tiếp tục và do đó cung cấp tín hiệu dao động trên nó.

Dao động phụ thuộc nhiều vào tụ điện và giá trị của cuộn cảm. Công thức dưới đây là xác định tần số dao động:

F = 1 / 2π√LC

trong đó F là tần số và L là cuộn cảm, C là tổng điện dung tương đương.

Điện dung tương đương của hai tụ điện có thể được xác định bằng cách sử dụng

C = (C1 x C2) / (C1 + C2)

Trong giai đoạn dao động này trong mạch bình xảy ra một phần năng lượng mất mát. Để bù lại năng lượng đã mất này và duy trì dao động bên trong mạch bể, cần phải có thiết bị khuếch đại. Có nhiều loại thiết bị khuếch đại khác nhau được sử dụng để bù lại sự mất mát năng lượng bên trong mạch bể. Các thiết bị khuếch đại phổ biến nhất là bóng bán dẫn và bộ khuếch đại hoạt động.

Bộ dao động Colpitts dựa trên bóng bán dẫn

Trong hình trên, bộ tạo dao động Colpitts dựa trên Transistor được hiển thị trong đó thiết bị khuếch đại chính của bộ dao động là một bóng bán dẫn NPN T1.

Trong đoạn mạch cần có điện trở R1 và R2 đối với hiệu điện thế cơ bản. Những hai điện trở được sử dụng để thực hiện một chia điện áp trên cơ sở Transistor T1 của. Điện trở R3 được sử dụng như một điện trở phát. Điện trở này rất hữu ích để ổn định thiết bị khuếch đại trong quá trình trôi nhiệt. Các C3 tụ được sử dụng như một tụ bypass phát được kết nối song song với điện trở R3. Nếu chúng ta loại bỏ tụ điện C3 này, tín hiệu AC khuếch đại sẽ bị đổ qua điện trở R3 và dẫn đến độ lợi kém. Vì vậy, tụ điện C3 được cung cấp một đường dẫn dễ dàng cho tín hiệu khuếch đại. Phản hồi từ mạch bể được kết nối thêm bằng cách sử dụng C4 với đế của bóng bán dẫn T1.

Dao động của mạch dao động Colpitts dựa trên bóng bán dẫn phụ thuộc vào sự dịch chuyển pha. Đây cũng được biết đến như là tiêu chí của bộ dao động. Theo Tiêu chí Barkhausen, độ lợi của vòng lặp phải lớn hơn một chút so với sự thống nhất và độ lệch pha xung quanh vòng lặp cần phải là 360 độ hoặc 0 độ. Vì vậy, trong trường hợp này, để cung cấp dao động trên đầu ra, mạch tổng cần dịch pha 0 độ hoặc 360 độ. Cấu hình bóng bán dẫn như là bộ phát thông thường cung cấp dịch chuyển pha 180 độ trong khi mạch bể cũng góp phần dịch pha 180 độ bổ sung. Bằng cách kết hợp sự dịch chuyển hai pha này, mạch tổng sẽ đạt được sự dịch chuyển pha 360 độ chịu trách nhiệm cho dao động.

Phản hồi có thể được điều khiển bằng cách sử dụng hai tụ điện C1 và C2. Hai tụ điện này được mắc nối tiếp và đường giao nhau được nối tiếp với đất cung cấp. Điện áp trên C1 lớn hơn nhiều so với điện áp trên C2. Bằng cách thay đổi hai giá trị tụ điện đó, chúng ta có thể kiểm soát điện áp phản hồi được tiếp tục đưa trở lại mạch bể. Việc xác định điện áp phản hồi là một phần quan trọng của mạch vì lượng điện áp phản hồi thấp sẽ không kích hoạt dao động trong khi lượng điện áp phản hồi cao sẽ phá hủy sóng sin đầu ra và gây ra biến dạng.

Bộ dao động Colpitts có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị của điện cảm và điện dung. Có hai cách để làm cho bộ dao động Colpitts hoạt động trong một cấu hình điều chỉnh thay đổi.

Cách đầu tiên là thay đổi cuộn cảm làm cuộn cảm biến đổi và cách khác là thay đổi các tụ điện như một tụ điện biến đổi. Trong tùy chọn thứ hai, vì điện áp phản hồi phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ C1 và C2, nên sử dụng một băng tần đơn giản. Sao cho khi tụ điện này có sự biến thiên thì tụ điện kia cũng thay đổi điện dung theo nó.

Bộ dao động Colpitts dựa trên Op-Amp

Trong hình trên, mạch dao động Colpitts dựa trên op-amp được hiển thị. Bộ khuếch đại hoạt động ở chế độ cấu hình đảo ngược. Các điện trở R1 và R2 được sử dụng để cung cấp phản hồi cần thiết cho bộ khuếch đại hoạt động. Đoạn mạch bình mắc song song gồm cuộn cảm đơn với hai tụ điện nối tiếp. Đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động được kết nối với phản hồi của mạch bể.

Cách làm việc giống như đã thảo luận trong mạch dao động Colpitts dựa trên bóng bán dẫn ở trên. Trong quá trình khởi động, op-amp khuếch đại tín hiệu nhiễu, có nhiệm vụ sạc hai tụ điện. Độ lợi của Bộ tạo dao động Colpitts dựa trên Op-amp cao hơn Bộ tạo dao động Colpitts dựa trên Transistor.

Sự khác biệt giữa Colpitts Oscillator và Hartley Oscillator

Bộ dao động Colpitts rất giống với bộ tạo dao động Hartley nhưng có sự khác biệt về cấu tạo giữa hai loại này. Mặc dù hai mạch dao động này bao gồm ba thành phần như một mạch bình nhưng dao động Colpitts sử dụng một cuộn cảm đơn song song với hai tụ điện mắc nối tiếp trong khi dao động Hartley sử dụng hoàn toàn ngược lại, một tụ điện đơn song song với hai cuộn cảm mắc nối tiếp. Bộ dao động Colpitts hoạt động ổn định hơn ở tần số cao so với Bộ tạo dao động Hartley.

Bộ dao động Colpitts là một sự lựa chọn tuyệt vời trong hoạt động tần số cao. Nó có thể tạo ra tần số đầu ra trong dải Megahertz cũng như trong dải Kilohertz.

Ứng dụng của mạch dao động Colpitts

1. Do những khó khăn trong sự biến đổi trơn tru của cuộn cảm và tụ điện, bộ dao động Colpitts chủ yếu được sử dụng để tạo tần số cố định.

2. Công dụng chính của bộ tạo dao động Colpitts là trong các thiết bị thông tin liên lạc điều khiển bằng tần số vô tuyến di động hoặc khác.

3. Trong dao động tần số cao, dao động Colpitts là một lựa chọn tuyệt vời. Do đó, các thiết bị dựa trên bộ dao động tần số cao sử dụng Bộ tạo dao động Colpitts.

4. Trong một số ứng dụng cần dao động liên tục và không lấy dấu cùng với tính ổn định nhiệt, Colpitts Oscillator được sử dụng.

5. Đối với những ứng dụng cần dải tần rộng với tiếng ồn tối thiểu gây ra.

6. Nhiều loại cảm biến dựa trên SAW sử dụng bộ dao động Colpitts

7. Các loại máy dò kim loại sử dụng bộ dao động Colpitts.

8. Máy phát tần số vô tuyến liên quan đến điều tần sử dụng bộ tạo dao động Colpitts.

9. Nó có một ứng dụng rất lớn trong các sản phẩm cấp quân sự và thương mại.

10. Trong các ứng dụng vi sóng, các mạch hỗn loạn liên quan đến che dấu tín hiệu cũng được yêu cầu tạo dao động Colpitts ở các dải tần số khác nhau.