A Генератор Колпитца, изобретенный в 1918 году американским инженером Эдвином Х. Колпитцем, является одной из нескольких конструкций для генераторов LC, электронных генераторов, в которых используется комбинация катушек индуктивности (L) и конденсаторов (C), чтобы произвести колебание с определенной частотой. Отличительной особенностью генератора Колпитца является то, что обратная связь для активного устройства берется от делителя напряжения, состоящего из двух конденсаторов, соединенных последовательно через катушку индуктивности.
Рис. 1: Простой с общей базой Генератор Колпитца (с упрощенным смещением ) | Рисунок 2: Простой генератор с общим коллектором (с упрощенным смещением ) |
Схема Колпитца, как и другие генераторы LC, состоит из коэффициента усиления устройство (например, биполярный переход транзистор, полевой транзистор, операционный усилитель или электронная лампа ), выход которого подключен к входу в петле обратной связи содержащий параллельный LC-контур (настроенный контур ), который функционирует как полосовой фильтр для установки частоты колебаний.
Генератор Колпитца электрический дуальный o f a осциллятор Хартли, в котором сигнал обратной связи снимается с «индуктивного» делителя напряжения, состоящего из двух последовательно соединенных катушек (или катушки с ответвлениями). На рис. 1 показана схема Колпитца с общей базой. L и последовательная комбинация C 1 и C 2 образуют параллельный резонансный контур резервуара, который определяет частоту генератора. Напряжение на C 2 прикладывается к переходу база-эмиттер транзистора в качестве обратной связи для создания колебаний. На рис. 2 показан вариант с общим коллектором. Здесь напряжение на C 1 обеспечивает обратную связь. Частота колебаний приблизительно равна резонансной частоте LC-контура, который представляет собой последовательную комбинацию двух конденсаторов, включенных параллельно катушке индуктивности:
Фактическая частота колебаний будет немного ниже из-за емкостей перехода и резистивной нагрузки транзистора.
Как и в случае любого генератора, усиление активного компонента должно быть незначительно больше, чем ослабление емкостного делителя напряжения, чтобы обеспечить стабильную работу. Таким образом, генератор Колпитца, используемый в качестве генератора переменной частоты (VFO), лучше всего работает, когда для настройки используется переменная индуктивность, а не для настройки одного из двух конденсаторов. Если требуется настройка с помощью переменного конденсатора, ее следует выполнять с помощью третьего конденсатора, подключенного параллельно катушке индуктивности (или последовательно, как в генераторе Клаппа ).
Рис. 3 показан рабочий пример со значениями компонентов. Вместо транзисторов с биполярным переходом, можно было бы использовать другие активные компоненты, такие как полевые транзисторы или электронные лампы, способные производить усиление на желаемой частоте.
Конденсатор в основании обеспечивает путь переменного тока к земле для паразитных индуктивностей, которые могут привести к нежелательному резонансу на нежелательных частотах. Подбор резисторов смещения базы - дело нетривиальное. Периодические колебания начинаются при критическом токе смещения и при изменении тока смещения до более высокого значения наблюдаются хаотические колебания.
Один из методов анализа генератора состоит в определении входного импеданса входного порта без учета любых реактивных компонентов. Если импеданс дает член отрицательного сопротивления, возможны колебания. Этот метод будет использоваться здесь для определения условий колебаний и частоты колебаний.
Идеальная модель показана справа. Эта конфигурация моделирует схему общего коллектора в разделе выше. Для первоначального анализа паразитные элементы и нелинейности устройства будут проигнорированы. Эти термины могут быть включены позже в более тщательный анализ. Даже с этими приближениями возможно приемлемое сравнение с экспериментальными результатами.
Игнорируя катушку индуктивности, входное сопротивление на базе можно записать как
где - входное напряжение, а - входной ток. Напряжение определяется выражением
где - импеданс . Ток, протекающий в , равен , что является суммой двух токи:
где - ток, подаваемый транзистором. - зависимый источник тока, заданный как
где - крутизна транзистора. Входной ток задается как
где - импеданс . Решение относительно и замена выше дает
Входное сопротивление отображается как два конденсатора, соединенных последовательно с член , который пропорционален произведению двух импедансов:
Если и сложны и имеют один и тот же знак, тогда будет отрицательным сопротивлением. Если импедансы для и заменяются, равно
Если катушка индуктивности подключена к вход, тогда цепь будет колебаться, если величина отрицательного сопротивления больше, чем сопротивление индуктора и любых паразитных элементов. Частота колебаний указана в предыдущем разделе.
Для приведенного выше примера генератора ток эмиттера составляет примерно 1 мА. Крутизна составляет примерно 40 мСм. Учитывая все остальные значения, входное сопротивление составляет примерно
Этого значения должно быть достаточно, чтобы преодолеть любое положительное сопротивление в цепи. При осмотре осцилляции более вероятны при больших значениях крутизны проводимости и меньших значениях емкости. Более сложный анализ генератора с общей базой показывает, что коэффициент усиления по напряжению усилителя низкой частоты должен быть не менее 4 для достижения генерации. Коэффициент усиления на низких частотах определяется как
Если два конденсатора заменить индукторами и игнорировать магнитную связь, схема становится генератором Хартли. В этом случае входной импеданс является суммой двух индукторов и отрицательного сопротивления, заданного как
В схеме Хартли колебания более вероятны при больших значениях крутизны и большие значения индуктивности.
Приведенный выше анализ также описывает поведение осциллятора Пирса. Генератор Пирса с двумя конденсаторами и одной катушкой индуктивности эквивалентен генератору Колпитца. Эквивалентность можно показать, выбрав соединение двух конденсаторов в качестве точки заземления. Электрический двойник стандартного генератора Пирса, использующий две катушки индуктивности и один конденсатор, эквивалентен генератору Хартли.
Амплитуду колебаний обычно трудно предсказать, но часто можно точно определить. оценивается с использованием метода описывающей функции.
Для генератора с общей базой на рисунке 1 этот подход, примененный к упрощенной модели, предсказывает амплитуду выходного (коллекторного) напряжения, заданную как
где - ток смещения, а - сопротивление нагрузки на коллекторе.
Предполагается, что транзистор не насыщается, ток коллектора течет узкими импульсами, а выходное напряжение синусоидально (низкие искажения).
Этот приблизительный результат также применим к генераторам, использующим другое активное устройство, например, МОП-транзисторы и электронные лампы.