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Colpitts振蕩器
編輯美國工程師 Edwin H. Colpitts 于 1918 年發明的 Colpitts 振蕩器是 LC 振蕩器的眾多設計之一,電子振蕩器使用電感器 (L) 和電容器 (C) 的組合在特定頻率下產生振蕩 頻率。 Colpitts 振蕩器的顯著特征是有源器件的反饋來自分壓器,該分壓器由兩個串聯在電感器上的電容器組成。
概覽
編輯與其他 LC 振蕩器一樣,Colpitts 電路由增益設備(例如雙極結型晶體管、場效應晶體管、運算放大器或真空管)組成,其輸出連接到包含并聯 LC 電路的反饋回路中的輸入 (調諧電路),用作帶通濾波器以設置振蕩頻率。 放大器將具有不同的輸入和輸出阻抗,這些阻抗需要耦合到 LC 電路中而不會過度阻尼。
Colpitts 振動器使用一對電容器提供分壓,以耦合進出調諧電路的能量。 (它可以被認為是哈特利振蕩器的電氣對偶,其中反饋信號取自由兩個串聯線圈(或抽頭線圈)組成的感應分壓器。)圖 1 顯示了共基 Colpitts 電路。 電感L和C1、C2的串聯組合構成了諧振回路,決定了振蕩器的頻率。 C2 兩端的電壓施加到晶體管的基極-發射極結,作為產生振蕩的反饋。 圖 2 顯示了共集電極版本。 這里 C1 兩端的電壓提供反饋。 振蕩的頻率近似為LC電路的諧振頻率,是兩個電容與電感并聯的串聯組合:
f 0 = 1 2 π L C 1 C 2 C 1 + C 2 。 {\displaystyle f_{0}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L{\frac {C_{1}C_{2}}{C_{1}+C_{2 }}}}}}}.}
由于晶體管的結電容和阻性負載,實際振蕩頻率將略低。
與任何振蕩器一樣,有源元件的放大率應略大于諧振器損耗的衰減及其分壓,以獲得穩定的運行。 因此,當可變電感用于調諧時,用作可變頻率振蕩器 (VFO) 的 Colpitts 振蕩器性能最佳,而不是僅調諧兩個電容器中的一個。 如果需要通過可變電容器進行調諧,則應使用與電感器并聯的第三個電容器(或像 Clapp 振蕩器中那樣串聯)來完成。
實例
圖 3 顯示了一個具有組件值的工作示例。 可以使用能夠在所需頻率產生增益的其他有源元件,例如場效應晶體管或真空管,而不是雙極結型晶體管。
基極的電容器為寄生電感提供了一條接地的交流路徑,寄生電感可能導致在不需要的頻率下產生不需要的諧振。 基極偏置電阻的選擇并非易事。 周期性振蕩從臨界偏置電流開始,隨著偏置電流變化到更高的值,觀察到混沌振蕩。
理論
編輯振蕩器分析的一種方法是確定輸入端口的輸入阻抗,忽略任何電抗元件。 如果阻抗產生負電阻項,則可能發生振蕩。 此處將使用此方法來確定振蕩條件和振蕩頻率。
理想模型如右圖所示。 此配置模擬了上一節中的公共集電極電路。 對于初始分析,寄生元件和器件非線性將被忽略。 稍后可以將這些術語包含在更嚴格的分析中。 即使使用這些近似值,也可以與實驗結果進行可接受的比較。
忽略電感,基極的輸入阻抗可以寫成
Z in = v 1 i 1 , {\displaystyle Z_{\text{in}}={\frac {v_{1}}{i_{1}}},}
其中 v 1 {\displaystyle v_{1}} 是輸入電壓,i 1 {\displaystyle i_{1}} 是輸入電流。 電壓 v 2 {\displaystyle v_{2}} 由下式給出
v 2 = i 2 Z 2 , {\displaystyle v_{2}=i_{2}Z_{2},}
其中 Z 2 {\displaystyle Z_{2}} 是 C 2 {\displaystyle C_{2}} 的阻抗。 流入 C 2 {\displaystyle C_{2}} 的電流是 i 2 {\displaystyle i_{2}} ,它是兩個電流的總和:
i 2 = i 1 + i s , {\displaystyle i_{2}=i_{1}+i_{s},}
其中 i s {\displaystyle i_{s}} 是晶體管提供的電流。 i s {\displaystyle i_{s}} 是由下式給出的相關電流源
i s = g m ( v 1 ? v 2 ) , {\displaystyle i_{s}=g_{m}(v_{1}-v_{2}),}
其中 g m {\displaystyle g_{m}} 是晶體管的跨導。 輸入電流 i 1 {\displaystyle i_{1}} 由下式給出
i 1 = v 1 ? v 2 Z 1 , {\displaystyle i_{1}={\frac {v_{1}-v_{2}}{Z_{1}}},}。
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