콜피츠 발진기

 

콜피츠 발진기

Colpitts 발진기 설계는 병렬 인덕터와 직렬로 연결된 두 개의 중앙 탭 커패시터를 사용하여 정현파 발진을 생성하는 공명 탱크 회로를 형성합니다.

여러 면에서 Colpitts 발진기는 이전 튜토리얼에서 살펴본 Hartley 발진기 와 정반대입니다 . Hartley 발진기와 마찬가지로 튜닝 탱크 회로는 정현파 출력 파형을 생성하는 단일 스테이지 트랜지스터 증폭기의 컬렉터와 베이스 사이에 연결된 LC 공진 하위 회로로 구성됩니다.

Colpitts Oscillator 의 기본 구성은 Hartley Oscillator 와 유사 하지만 이번에는 탱크 하위 회로의 중앙 태핑이 이제 탭형 자동 변압기 유형 인덕터 대신 "용량성 전압 분배기" 네트워크의 교차점에서 이루어진다는 점입니다. Hartley 발진기에서와 마찬가지로.

콜피츠 발진기
탱크 회로

 

Colpitts 발진기는 피드백 소스로 용량성 전압 분배기 네트워크를 사용합니다. 두 개의 커패시터 C1 과 C2 는 그림과 같이 단일 공통 인덕터 L 에 배치됩니다 . 그런 다음 C1 , C2 및 L은 하틀리 발진기 회로와 마찬가지로 X C1  + X C2  = X L 발진 조건으로 튜닝된 탱크 회로를 형성합니다 .

이러한 유형의 용량성 회로 구성의 장점은 탱크 회로 내 자체 및 상호 인덕턴스가 적어 발진기의 주파수 안정성이 향상되고 설계가 더욱 단순해진다는 것입니다.

Hartley 발진기와 마찬가지로 Colpitts 발진기는 정현파 출력을 생성하는 이득 요소로 단일 스테이지 바이폴라 트랜지스터 증폭기를 사용합니다. 아래 회로를 고려하십시오.

기본 콜피츠 발진기 회로

트랜지스터의 이미터 단자는 직렬로 연결되고 간단한 전압 분배기 역할을 하는 두 커패시터 C1 및 C2 의 접합부에 효과적으로 연결됩니다. 최초로 전원을 인가하면 커패시터 C1 , C2가 충전되었다가 코일 L을 통해 방전된다 . 커패시터 전체의 진동은 베이스-이미터 접합에 적용되고 컬렉터 출력에서 ​​증폭되어 나타납니다.

저항 R1 및 R2는 일반적인 방식으로 트랜지스터에 대한 일반적인 안정화 DC 바이어스를 제공하는 반면 추가 커패시터는 DC 차단 바이패스 커패시터 역할을 합니다. RFC(무선 주파수 초크)는 발진 주파수( fr )에서 높은 리액턴스(이상적으로는 개방 회로)를 제공하고 발진 시작을 돕기 위해 DC에서 낮은 저항을 제공하기 위해 컬렉터 회로에 사용됩니다.

필요한 외부 위상 변이는 지속적인 비감쇠 진동에 대해 필요한 포지티브 피드백을 통해 Hartley 발진기 회로에서와 유사한 방식으로 얻어집니다. 피드백의 양은 C1 과 C2 의 비율에 따라 결정됩니다 . 이 두 정전 용량은 일반적으로 함께 "결합"되어 일정한 양의 피드백을 제공하므로 하나가 조정되면 다른 하나도 자동으로 따라옵니다.

Colpitts 발진기의 발진 주파수는 LC 탱크 회로의 공진 주파수에 의해 결정되며 다음과 같이 제공됩니다.

여기서 C T 는 직렬로 연결된 C1 과 C2 의 커패시턴스 이며 다음과 같이 주어진다.

트랜지스터 증폭기의 구성은 입력 신호에 대해 출력 신호가 180 도 다른 위상을 갖는 공통 이미터 증폭기 로 구성됩니다. 발진에 필요한 추가 180o 위상 변이는 두 개의 커패시터가 직렬로 함께 연결되지만 유도 코일과 병렬로 연결되어 회로의 전체 위상 변이가 0 또는 360o가 된다는 사실에 의해 달성 됩니다 .

 

피드백의 양은 C1 및 C2 값에 따라 달라집니다 . C1 양단의 전압은 발진기 출력 전압 Vout 과 동일 하고 C2 양단 전압 은 발진기 피드백 전압이라는 것을 알 수 있습니다. 그러면 C1 양단의 전압은 C2 양단 전압보다 훨씬 커집니다 .

따라서 커패시터 C1 과 C2 의 값을 변경하여 탱크 회로로 반환되는 피드백 전압의 양을 조정할 수 있습니다. 그러나 피드백이 크면 출력 사인파가 왜곡될 수 있고, 피드백이 작으면 회로가 진동하지 못할 수 있습니다.

그런 다음 Colpitts 발진기에 의해 개발된 피드백의 양은 C1 과 C2 의 커패시턴스 비율을 기반으로 하며 이것이 발진기의 여기를 제어합니다. 이 비율을 "피드백 비율"이라고 하며 간단히 다음과 같이 표시됩니다.

튜토리얼 예제 No1

각각 24nF와 240nF의 두 개의 커패시터를 갖는 콜피츠 발진기 회로 는 10mH의 인덕터와 병렬로 연결된다. 회로의 진동 주파수, 피드백 비율을 결정하고 회로를 그립니다.

Colpitts 발진기의 발진 주파수는 다음과 같이 지정됩니다.

콜피츠 회로는 직렬로 연결된 두 개의 커패시터로 구성되므로 총 커패시턴스는 다음과 같습니다.

인덕터의 인덕턴스는 10mH로 주어지며, 발진 주파수는 다음과 같습니다.

따라서 Colpitts 발진기의 발진 주파수는 10.8kHz 이며 피드백 비율은 다음과 같습니다.

콜피츠 발진기 회로

연산 증폭기를 사용하는 콜피츠 발진기

이전 Hartley 발진기 와 마찬가지로 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)를 발진기 활성 스테이지로 사용할 뿐만 아니라 연산 증폭기(op-amp)도 사용할 수 있습니다. 연산 증폭기 Colpitts 발진기 의 작동은 트랜지스터 버전과 정확히 동일하며 작동 주파수는 동일한 방식으로 계산됩니다. 아래 회로를 고려하십시오.

연산 증폭기 회로

반전 증폭기 구성에서는 R2/R1 비율이 증폭기 이득을 설정합니다. 진동을 시작하려면 최소 이득 2.9가 필요합니다. 저항 R3은 LC 탱크 회로에 필요한 피드백을 제공합니다.

Hartley 발진기에 비해 Colpitts 발진기 의 장점은 Colpitts 발진기가 고주파수에서 커패시터의 낮은 임피던스 경로로 인해 더 순수한 정현파 파형을 생성한다는 것입니다. 또한 이러한 용량성 리액턴스 특성으로 인해 FET 기반 Colpitts 발진기는 매우 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다. 물론 증폭 장치로 사용되는 연산 증폭기나 FET는 필요한 고주파수에서 작동할 수 있어야 합니다.

콜피츠 발진기 요약

요약하면 Colpitts 발진기는 피드백이 용량성 분배기를 통해 달성되는 병렬 LC 공진기 탱크 회로로 구성됩니다. 대부분의 발진기 회로와 마찬가지로 Colpitts 발진기는 여러 형태로 존재하며 가장 일반적인 형태는 위의 트랜지스터 회로와 유사합니다.

탱크 하위 회로의 중앙 태핑은 "용량성 전압 분배기" 네트워크의 교차점에서 이루어지며 출력 신호의 일부를 트랜지스터 이미터로 다시 공급합니다. 직렬로 연결된 두 개의 커패시터는 180 ° 위상 변이를 생성하고 이는 필요한 포지티브 피드백을 생성하기 위해 또 다른 180 ° 로 반전됩니다. 더 순수한 사인파 전압인 발진 주파수는 탱크 회로의 공진 주파수에 의해 결정됩니다.

발진기에 대한 다음 튜토리얼에서는 저항과 커패시터를 탱크 회로로 사용하여 정현파 파형을 생성하는 RC 발진기를 살펴보겠습니다.