Colpitts振荡器

Colpitts 振荡器设计使用两个中心抽头电容器与并联电感器串联，形成产生正弦振荡的谐振储能电路。

1、概述

在许多方面，Colpitts 振荡器与我们在上一篇文章中看到的哈特利振荡器完全相反。 就像哈特利振荡器一样，调谐储能电路由连接在单级晶体管放大器的集电极和基极之间的 LC 谐振子电路组成，产生正弦输出波形。

科尔皮茨振荡器的基本配置类似于哈特利振荡器，但这次的不同之处在于，储能子电路的中心抽头现在是在“电容分压器”网络的连接处而不是抽头自耦变压器型电感器 如哈特利振荡器。

Colpitts振荡器储能电路

Colpitts 振荡器使用电容分压器网络作为其反馈源。 两个电容器$C_1$ 和 $C_2$ 跨接在单个公共电感器 $L$ 上，如图所示。 然后$C_1$、$C_2$和$L$组成调谐振荡电路，振荡条件为：$X_{C1}+X_{C2}=X_L$，与Hartley振荡电路相同。

这种类型的电容电路配置的优点在于，谐振电路内的自感和互感较小，振荡器的频率稳定性得到提高，并且设计更加简单。

2、基本Colpitts 振荡器电路

与 Hartley 振荡器一样，Colpitts 振荡器使用单级双极晶体管放大器作为产生正弦输出的增益元件。 考虑下面的电路。

基本Colpitts振荡器电路

晶体管的发射极端子有效地连接到两个电容器$C_1$和$C_2$的结点，这两个电容器串联连接并充当简单的分压器。 当电源首次接通时，电容器$C_1$和$C_2$充电，然后通过线圈L放电。电容器两端的振荡施加到基极-发射极结，并在集电极输出处放大。

电阻器 $R_1$ 和 $R_2$ 以正常方式为晶体管提供常用的稳定直流偏置，而附加电容器则充当隔直旁路电容器。 集电极电路中使用射频扼流圈 (RFC)，以在振荡频率 ($f_r$) 下提供高电抗（理想情况下开路），并在直流下提供低电阻，以帮助启动振荡。

所需的外部相移以与哈特利振荡器电路类似的方式获得，并获得持续无阻尼振荡所需的正反馈。 反馈量由$C_1$和$C_2$的比率决定。 这两个电容通常“组合”在一起以提供恒定量的反馈，这样当一个电容被调整时，另一个电容也会自动跟随。

Colpitts振荡器的振荡频率由 LC 储能电路的谐振频率决定，计算公式如下：

其中 $C_T$ 是 $C_1$ 和 $C_2$ 串联的电容，计算公式为：

晶体管放大器的配置是共发射极放大器，其输出信号与输入信号异相 180°。 振荡所需的额外 180° 相移是通过以下事实实现的：两个电容器串联连接在一起但与感应线圈并联，导致电路的整体相移为零或 360°。

反馈量取决于$C_1$和$C_2$的值。 我们可以看到，$C_1$ 两端的电压与振荡器输出电压 $V_{out}$ 相同，$C_2$ 两端的电压是振荡器反馈电压。 那么$C_1$两端的电压将远大于$C_2$两端的电压。

因此，通过改变电容器$C_1$和$C_2$的值，我们可以调整返回储能电路的反馈电压量。 然而，大量的反馈可能会导致输出正弦波失真，而少量的反馈可能不允许电路振荡。

然后，科尔皮兹振荡器产生的反馈量基于 $C_1$ 和 $C_2$ 的电容比，并且控制着振荡器的激励。 该比率称为“反馈分数”，简单表示为：

3、示例1

Colpitts振荡器电路具有两个分别为24nF和240nF的电容器，并与10mH的电感器并联。 确定电路的振荡频率、反馈分数并绘制电路。

Colpitts振荡器的振荡频率如下：

由于Colpitts电路由两个串联的电容器组成，因此总电容为：

电感器的电感为10mH，则振荡频率为：

因此，Colpitts振荡器的振荡频率为 10.8kHz，反馈分数如下：

Colpitts振荡器电路如下：

4、使用运算放大器的Colpitts振荡器

就像之前的Hartley 振荡器一样，除了使用双极结型晶体管（BJT）作为振荡器有源级外，我们还可以使用运算放大器（op-amp）。 运算放大器Colpitts振荡器的操作与晶体管版本完全相同，操作频率也以相同的方式计算。 考虑下面的电路。

运算放大器电路

请注意，作为反相放大器配置，$R_2/R_1$ 的比率设置放大器增益。 启动振荡所需的最小增益为 2.9。 电阻器 $R_3$ 为 LC 储能电路提供所需的反馈。

Colpitts振荡器相对于Hartley振荡器的优点在于，Colpitts振荡器由于电容器在高频时的低阻抗路径而产生更纯净的正弦波形。 此外，由于这些容抗特性，基于 FET 的Colpitts振荡器可以在非常高的频率下工作。 当然，用作放大器件的任何运算放大器或 FET 必须能够在所需的高频下工作。

5、总结

总而言之，Colpitts振荡器由并联 LC 谐振器储能电路组成，其反馈是通过电容分压器实现的。 与大多数振荡器电路一样，Colpitts振荡器有多种形式，最常见的形式与上面的晶体管电路类似。

储能子电路的中心抽头位于“电容分压器”网络的连接处，以将一部分输出信号反馈回晶体管的发射极。 两个串联的电容器产生 180° 的相移，该相移再反转 180° 以产生所需的正反馈。 振荡频率是更纯的正弦波电压，由储能电路的谐振频率决定。

在下一篇关于振荡器的文章中，我们将了解 RC 振荡器，它使用电阻器和电容器作为其储能电路来产生正弦波形。