Colpitts振荡器原理分析，图文+案例
Colpitts振荡器原理分析，图文+案例
Colpitts振荡器是一种常见的晶体振荡电路，广泛应用于通信、雷达、仪器仪表等领域。本文将详细介绍Colpitts振荡器的工作原理、电路设计和参数计算，帮助读者深入了解这种重要的振荡电路。
常见的晶体振荡电路有 Colpitts 振荡器、皮尔斯振荡器、Hartley 振荡器、CMOS晶体振荡器等。本文将重点介绍Colpitts振荡器，包括其电路设计、电路图分析、电路原理以及参数计算。
Colpitts振荡器的基本原理
Colpitts振荡器由一个并联的LC谐振槽路组成，其反馈是通过电容分压器实现的。储能子电路的中心抽头在“电容分压器”网络的结点处进行，以将一部分输出信号反馈回晶体管的发射极。串联的两个电容器产生180°的相移，该相移被另一个180°反相，以产生所需的正反馈。
振荡频率由谐振电路的谐振频率决定，振荡频率是更纯净的正弦波电压。
电容分压器
这种电容电路配置的优点是在谐振电路内具有较少的自感和互感，振荡器的频率稳定性得到改善，同时设计更简单。
Colpitts振荡器的电路结构
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。如下图所示，晶体管的发射极端子有效地连接到两个电容器C1和C2的结点，这两个电容器串联并充当简单的分压器。
基本Colpitts振荡器电路图
首次接通电源时，电容C1和C2充电，然后通过线圈L放电，电容上的振荡被施加到基极-发射极结并且出现在集电极输出的放大中。
电阻R1和R2以正常方式为晶体管提供通常的稳定直流偏置，而附加电容则充当隔直旁路电容。集电极电路中使用射频扼流圈 (RFC)，以在振荡频率 (ƒr) 处提供高电抗（理想情况下为开路），并在直流处提供低电阻以帮助启动振荡。
反馈量由C1和C2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，因此当一个被调整时，另一个会自动跟随。
Colpitts振荡器的参数计算
Colpitts振荡器的振荡频率由LC谐振电路的谐振频率决定，给出如下：
Colpitts振荡器电路参数计算公式
其中C T是串联连接的C1和C2的电容，给出如下：
Colpitts振荡器电路参数计算公式
晶体管放大器的配置是一个公共发射极放大器，其输出信号与输入信号异相180°。振荡所需的额外180°相移是通过两个电容器串联连接在一起然后与感应线圈并联来实现的，从而导致电路的整体相移为零或360°。
反馈量取决于C1和C2的值。我们可以看到C1两端的电压与振荡器输出电压Vout相同，C2两端的电压是振荡器反馈电压。那么C1两端的电压将远大于C2两端的电压。
因此，通过改变电容器C1和C2的值，我们可以调整返回到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，由Colpitts振荡器产生的反馈量基于C1和C2的电容比，并且是控制振荡器激励的因素。这个比率被称为“反馈量”，简单地给出如下公式：
Colpitts振荡器电路参数计算公式
具有两个分别为 24nF 和 240nF 的电容的Colpitts振荡器电路与一个 10mH 的电感并联，确定电路的振荡频率、反馈量并画出电路。
Colpitts振荡器的振荡频率为：
Colpitts振荡器电路参数计算公式
由于 colpitts 电路由两个串联的电容组成，因此总电容为：
Colpitts振荡器电路参数计算公式
给定电感的电感为 10mH，则振荡频率为：
Colpitts振荡器电路参数计算公式
因此，Colpitts振荡器的振荡频率为10.8kHz，反馈量为：
Colpitts振荡器电路参数计算公式
Colpitts振荡器电路图
Colpitts振荡器的变体
Colpitts振荡器除了使用双极结型晶体管（BJT）作为振荡器的有源级，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的操作完全相同，其操作频率以相同的方式计算，如下图所示：
Colpitts振荡器运算放大器电路
要注意，作为反相放大器配置，R2/R1的比率设置放大器增益，启动振荡需要 2.9 的最小增益，电阻 R3为 LC 谐振电路提供所需的反馈。
常见的Colpitts晶体振荡器电路分析
这种类型的晶体振荡器（如下图）是围绕一个公共集电极（发射极跟随）放大器设计的。R 1和R 2电阻网络设置基极上的直流偏置电平，而发射极电阻R E设置输出电压电平。电阻R 2设置得尽可能大，以防止负载到并联晶体。
晶体管 2N4265 是一种通用 NPN 晶体管，连接在公共集电极配置中，能够以超过 100Mhz 的开关速度运行，远高于大约 1MHz 和 5MHz 之间的晶体基频。
Colpitts晶体振荡器电路图
上图的Colpitts晶体振荡器电路显示电容C1和C2分流晶体管的输出，从而减少了反馈信号。因此，晶体管的增益限制了C1和C2的最大值。输出幅度应保持较低，以避免晶体中过多的功耗，否则会因过度振动而损坏自身。
该电路（如下图所示）使用由 C1 和 C2 组成的电容分压器网络来提供反馈，并且输出取自发射器，如图所示。或者可以在集电极电路中放置一个电阻或扼流圈并从那里获取输出。在这两种情况下，明智的做法是在晶体振荡器电路之后使用缓冲器，以确保施加最小负载。
在这种配置中，晶体以并联模式运行。在此模式下运行时，应为晶体提供一个负载电容，以在其正确频率下运行。该负载电容由晶体指定，通常为 20 或 30 pF。晶体振荡器电路将被设计为将该电容呈现给晶体。其中大部分将由两个电容器C1 和 C2 组成，尽管电路的其余元件将提供一些电容。
Colpitts晶体管晶体振荡器电路图
该电路的缺点是电阻偏置链分流了 C1 和 C2 的串联组合以及晶体。这意味着晶体振荡器电路中需要额外的增益和电流来克服这一点，并且稳定性可能会受到一定程度的影响。偏置电阻的另一个作用是降低晶体的 Q。
有源器件使用场效应晶体管可以在一定程度上解决这个问题，但这些器件通常不如双极器件稳定，而且它们通常需要更高的工作电流。
在晶体两端放置一个小型微调电容也很常见。通过这种方式，晶体振荡器的频率可以微调到所需的精确频率。
电路条件基本上由电容 C1 和 C2 以及偏置电阻R1 和 R2 以及发射极电阻 R3 控制。由于电路与频率有关，因此值将根据工作频率而变化，典型值如下。
Colpitts晶体振荡器电路--元器件典型值
这些值将为许多情况提供一个很好的解决方案，晶体管可以是 BC109 或类似的通用晶体管。
产生正弦波形的所有其他振荡器电路都使用 LC 谐振电路，除了一些电子电路，例如 RC 振荡器、Wien-Robinson 振荡器和一些不需要额外电感的晶体振荡器。
下图为一个Colpitts 晶体振荡器电路。
由一个具有共发射极配置晶体管的 RC 耦合放大器组成，耦合电容通过提供从集电极到储能电路的交流路径来阻断直流。
每当接通电源时，上述电路中所示的电容 C1 和 C2 开始充电，当电容充满电后，电容器开始通过电路中的电感 L1 放电，从而在谐振电路中引起阻尼谐波振荡。
因此，振荡电路中的振荡电流在 C1 和 C2 两端产生交流电压。
当这些电容完全放电时，存储在电容中的静电能量以磁通量的形式转移到电感，从而使电感充电。
Colpitts晶体振荡器电路图
上面电路中的 Re 电阻为电路提供了针对温度变化的稳定性，与 Re 并联的电路中连接的电容器 Ce 为放大的交流信号提供低电抗路径，充当旁路电容。电阻R1 和 R2形成电路的分压器，并为晶体管提供偏置。
下图为使用双极晶体管或各种类型的 FET 构成的 Colpitts 振荡器电路。
电容分压器用于反馈，晶体管 Q1 采用共发射极配置，在上层电路中，R1 和 R2 用于晶体管的偏置，C1 用作保护基极免受射频噪声影响的旁路电容。
Colpitts晶体振荡器电路图
在这种配置中，由于从集电极到地的连接，晶体将充当分流器。并联谐振配置，电容 C2 和 C3 用于反馈，晶体 Q2 连接为并联谐振电路。
在这种配置中，输出放大率很低，以避免晶体中过多的功耗。
Colpitts振荡器的应用
- 用于生成具有非常高频率的正弦输出信号。
- 使用 SAW 器件的 Colpitts 振荡器可用作温度传感器等不同类型的传感器。由于该电路中使用的设备对扰动高度敏感，因此它直接从其表面感应。
- 经常用于涉及非常广泛的频率范围的应用。
- 用于需要无阻尼和连续振荡的应用。
- 在打算经常承受高温和低温的情况下，这种振荡器是首选。
- 该振荡器与某些器件（而不是谐振电路）的组合可用于实现出色的温度稳定性和高频率。
- 用于移动和无线电通信的发展。