Colpitts Osilatörü

Colpitts Osilatör tasarımı, sinüzoidal salınımlar üreten rezonans tankı devresini oluşturmak için paralel bir indüktör ile seri olarak iki merkez uçlu kapasitör kullanır.

Birçok yönden Colpitts osilatörü, önceki derste incelediğimiz Hartley Osilatörünün tam tersidir. Tıpkı Hartley osilatörü gibi, ayarlanmış tank devresi, toplayıcı ile sinüzoidal bir çıkış dalga formu üreten tek kademeli bir transistör amplifikatörünün tabanı arasına bağlanan bir LC rezonans alt devresinden oluşur.

Colpitts Osilatörünün temel konfigürasyonu Hartley Osilatörününkine benzer, ancak bu seferki fark, tank alt devresinin merkez vuruşunun artık kademeli bir ototransformatör tipi indüktör yerine bir “kapasitif voltaj bölücü” ağının birleşme noktasında yapılmasıdır.

Colpitts Osilatör

Colpitts osilatörü, geri besleme kaynağı olarak kapasitif bir voltaj bölücü ağı kullanır. İki kapasitör, C1 ve C2, gösterildiği gibi tek bir ortak indüktör L’ye yerleştirilir. Daha sonra C1, C2 ve L, salınımlar için şu koşulla ayarlanmış tank devresini oluşturur: XC1 + XC2 = XL

Bu tip kapasitif devre konfigürasyonunun avantajı, tank devresi içinde daha az öz ve karşılıklı endüktans ile daha basit bir tasarımla birlikte osilatörün frekans kararlılığının iyileştirilmesidir.

Hartley osilatöründe olduğu gibi, Colpitts osilatörü, sinüzoidal bir çıkış üreten kazanç elemanı olarak tek kademeli bir bipolar transistör amplifikatörü kullanır.

Colpitts Osilatör
Temel Colpitts Osilatör Devresi

Transistörün emitör terminali, seri olarak bağlanan ve basit bir voltaj bölücü görevi gören iki kapasitör C1 ve C2’nin bağlantısına etkin bir şekilde bağlanır. Güç kaynağı ilk kez uygulandığında, C1 ve C2 kapasitörleri şarj olur ve ardından L bobini üzerinden boşalır. Kondansatörler boyunca salınımlar baz-verici bağlantısına uygulanır ve kollektör çıkışında güçlendirilmiş olarak görünür.

Dirençler, R1 ve R2, normal şekilde transistör için normal stabilize edici DC polarlama sağlarken, ilave kapasitörler DC bloke edici baypas kapasitörleri olarak işlev görür. Salınım frekansında ( ƒr ) yüksek bir reaktans (ideal olarak açık devre) ve salınımların başlatılmasına yardımcı olmak için DC’de düşük bir direnç sağlamak için kollektör devresinde bir radyo frekansı bobini (RFC) kullanılır.

Gerekli harici faz kayması, sürekli sönümlenmemiş salınımlar için gerekli pozitif geri besleme ile Hartley osilatör devresindekine benzer şekilde elde edilir. Geri besleme miktarı, C1 ve C2 oranına göre belirlenir. Bu iki kapasitans genellikle sabit miktarda geri bildirim sağlamak için bir araya getirilir, böylece biri ayarlandığında diğeri otomatik olarak diğer değeri takip eder.

Bir Colpitts osilatörü için salınımların frekansı, LC tank devresinin rezonans frekansı tarafından belirlenir ve şu şekilde verilir:

Colpitts Osilatör

Burada: CT, seri bağlı C1 ve C2’nin kapasitansıdır ve şu hesaplanır:

Colpitts Osilatör

Transistör yükselticisinin konfigürasyonu, giriş sinyaline göre çıkış sinyali 180o faz dışı olan bir Ortak Yayıcı Yükselteçtir. Salınım için gerekli olan ilave 180o faz kayması, iki kapasitörün birbirine seri olarak ancak endüktif bobine paralel olarak bağlanması ve devrenin toplam faz kaymasının sıfır veya 360o olmasıyla elde edilir.

Geri besleme miktarı C1 ve C2 değerlerine bağlıdır. C1 üzerindeki voltajın osilatör çıkış voltajı Vout ile aynı olduğunu ve C2 üzerindeki voltajın osilatör geri besleme voltajı olduğunu görebiliriz. O zaman C1’deki voltaj, C2’dekinden çok daha büyük olacaktır.

Bu nedenle, C1 ve C2 kapasitörlerinin değerlerini değiştirerek, tank devresine döndürülen geri besleme voltajı miktarını ayarlayabiliriz. Bununla birlikte, büyük miktarda geri besleme, çıkış sinüs dalgasının bozulmasına neden olabilirken, küçük miktarlarda geri besleme devrenin salınmasına izin vermeyebilir.

Daha sonra Colpitts osilatörü tarafından oluşturulan geri besleme miktarı, C1 ve C2’nin kapasitans oranına dayanır ve osilatörün uyarımını yöneten şeydir. Bu orana “geri bildirim oranı” denir ve basitçe şu şekilde verilir:

Colpitts Osilatör

Geri Besleme Fraksiyonu

Colpitts Osilatörü Soru Örneği 1

Sırasıyla 24nF ve 240nF’lik iki kapasitöre sahip bir Colpitts Osilatör devresi, 10mH’lik bir indüktöre paralel olarak bağlanmıştır. Devrenin salınım frekansını, geri besleme fraksiyonunu belirleyin ve devreyi çizin.

Bir Colpitts Osilatörünün salınım frekansı şu şekilde verilir:

Colpitts Osilatör

Colpitts devresi seri bağlı iki kapasitörden oluştuğu için toplam kapasitans şu şekildedir:

Colpitts Osilatör

İndüktörün endüktansı 10mH olarak verilir, ardından salınım frekansı:

Colpitts Osilatör

Colpitts Osilatörü için salınımların frekansı bu nedenle 10.8kHz’dir ve geri besleme fraksiyonu şu şekilde verilir:

Colpitts Osilatör

Colpitts Osilatör Devresi

Colpitts Osilatör

Op-amp Kullanan Colpitts Osilatörü

Tıpkı önceki Hartley Osilatöründe olduğu gibi, osilatörlerin aktif aşaması olarak bir bipolar bağlantı transistörü (BJT) kullanmanın yanı sıra, bir işlemsel yükselteç de (op-amp) yapabiliriz. Bir Op-amp Colpitts Osilatörünün çalışması, aynı şekilde hesaplanan çalışma frekansı ile transistörlü versiyonla tamamen aynıdır.

Colpitts Osilatör
Colpitts Osilatör Op-amp Devresi

Tersine çeviren bir amplifikatör konfigürasyonu olarak, R2/R1 oranının amplifikatör kazancını ayarladığına dikkat edin. Salınımları başlatmak için minimum 2,9 kazanç gereklidir. Direnç R3, LC tank devresine gerekli geri beslemeyi sağlar.

Colpitts Osilatörünün Hartley osilatörlerine göre avantajları, yüksek frekanslarda kapasitörlerin düşük empedans yollarından dolayı Colpitts osilatörünün daha saf sinüzoidal dalga formu üretmesidir. Ayrıca bu kapasitif reaktans özelliklerinden dolayı FET tabanlı Colpitts osilatörü çok yüksek frekanslarda çalışabilir. Elbette, yükseltme cihazı olarak kullanılan herhangi bir op-amp veya FET, gerekli yüksek frekanslarda çalışabilmelidir.

Özetle

Özetlemek gerekirse, Colpitts Osilatörü, geri beslemesi kapasitif bir bölücü yoluyla elde edilen paralel bir LC rezonatör tank devresinden oluşur. Çoğu osilatör devresi gibi, Colpitts osilatörü, en yaygın biçimi yukarıdaki transistör devresine benzer olan çeşitli biçimlerde bulunur.

Tank alt devresinin merkez vuruşu, çıkış sinyalinin bir kısmını transistörün emitörüne geri beslemek için bir “kapasitif voltaj bölücü” ağının birleşim yerinde yapılır. Seri bağlı iki kapasitör, gerekli pozitif geri beslemeyi üretmek için bir başka 180o ile tersine çevrilen 180o‘luk bir faz kayması üretir. Daha saf bir sinüs dalgası voltajı olan salınım frekansı, tank devresinin rezonans frekansı tarafından belirlenir.

Osilatörler hakkında bir sonraki derste, sinüzoidal bir dalga formu üretmek için tank devresi olarak dirençler ve kapasitörler kullanan RC Osilatörlerine bakacağız.