Colpitts振荡器

美国工程师 Edwin H. Colpitts 于 1918 年发明的 Colpitts 振荡器是 LC 振荡器的众多设计之一，电子振荡器使用电感器 (L) 和电容器 (C) 的组合在特定频率下产生振荡 频率。 Colpitts 振荡器的显着特征是有源器件的反馈来自分压器，该分压器由两个串联在电感器上的电容器组成。

与其他 LC 振荡器一样，Colpitts 电路由增益设备（例如双极结型晶体管、场效应晶体管、运算放大器或真空管）组成，其输出连接到包含并联 LC 电路的反馈回路中的输入 （调谐电路），用作带通滤波器以设置振荡频率。 放大器将具有不同的输入和输出阻抗，这些阻抗需要耦合到 LC 电路中而不会过度阻尼。

Colpitts 振动器使用一对电容器提供分压，以耦合进出调谐电路的能量。 （它可以被认为是哈特利振荡器的电气对偶，其中反馈信号取自由两个串联线圈（或抽头线圈）组成的感应分压器。）图 1 显示了共基 Colpitts 电路。 电感L和C1、C2的串联组合构成了谐振回路，决定了振荡器的频率。 C2 两端的电压施加到晶体管的基极-发射极结，作为产生振荡的反馈。 图 2 显示了共集电极版本。 这里 C1 两端的电压提供反馈。 振荡的频率近似为LC电路的谐振频率，是两个电容与电感并联的串联组合：

f 0 = 1 2 π L C 1 C 2 C 1 + C 2 。 {\displaystyle f_{0}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L{\frac {C_{1}C_{2}}{C_{1}+C_{2 }}}}}}}.}

由于晶体管的结电容和阻性负载，实际振荡频率将略低。

与任何振荡器一样，有源元件的放大率应略大于谐振器损耗的衰减及其分压，以获得稳定的运行。 因此，当可变电感用于调谐时，用作可变频率振荡器 (VFO) 的 Colpitts 振荡器性能最佳，而不是仅调谐两个电容器中的一个。 如果需要通过可变电容器进行调谐，则应使用与电感器并联的第三个电容器（或像 Clapp 振荡器中那样串联）来完成。

图 3 显示了一个具有组件值的工作示例。 可以使用能够在所需频率产生增益的其他有源元件，例如场效应晶体管或真空管，而不是双极结型晶体管。

基极的电容器为寄生电感提供了一条接地的交流路径，寄生电感可能导致在不需要的频率下产生不需要的谐振。 基极偏置电阻的选择并非易事。 周期性振荡从临界偏置电流开始，随着偏置电流变化到更高的值，观察到混沌振荡。

振荡器分析的一种方法是确定输入端口的输入阻抗，忽略任何电抗元件。 如果阻抗产生负电阻项，则可能发生振荡。 此处将使用此方法来确定振荡条件和振荡频率。

理想模型如右图所示。 此配置模拟了上一节中的公共集电极电路。 对于初始分析，寄生元件和器件非线性将被忽略。 稍后可以将这些术语包含在更严格的分析中。 即使使用这些近似值，也可以与实验结果进行可接受的比较。

忽略电感，基极的输入阻抗可以写成

Z in = v 1 i 1 , {\displaystyle Z_{\text{in}}={\frac {v_{1}}{i_{1}}},}

其中 v 1 {\displaystyle v_{1}} 是输入电压，i 1 {\displaystyle i_{1}} 是输入电流。 电压 v 2 {\displaystyle v_{2}} 由下式给出

v 2 = i 2 Z 2 , {\displaystyle v_{2}=i_{2}Z_{2},}

其中 Z 2 {\displaystyle Z_{2}} 是 C 2 {\displaystyle C_{2}} 的阻抗。 流入 C 2 {\displaystyle C_{2}} 的电流是 i 2 {\displaystyle i_{2}} ，它是两个电流的总和：

i 2 = i 1 + i s , {\displaystyle i_{2}=i_{1}+i_{s},}

其中 i s {\displaystyle i_{s}} 是晶体管提供的电流。 i s {\displaystyle i_{s}} 是由下式给出的相关电流源

i s = g m ( v 1 − v 2 ) , {\displaystyle i_{s}=g_{m}(v_{1}-v_{2}),}

其中 g m {\displaystyle g_{m}} 是晶体管的跨导。 输入电流 i 1 {\displaystyle i_{1}} 由下式给出

i 1 = v 1 − v 2 Z 1 , {\displaystyle i_{1}={\frac {v_{1}-v_{2}}{Z_{1}}},}。