اسیلاتور کولپیتس

در پیکربندی اسیلاتور کولپیتس از دو خازن استفاده شده که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند و یک سلف با آن‌ها‌ موازی شده است. این المان‌ها‌ سازنده‌ی شبکه رزونانس اسیلاتور هستند که نوسان‌ها‌ی سینوسی تولید میکنند.

از جنبه‌ها‌ی گوناگون، اسیلاتور کولپیتس دقیقا بر عکس اسیلاتور‌ ها‌رتلی عمل می‌کند. البته اسیلاتور کولپیتس همانند‌ ها‌رتلی دارای مدار رزونانس LC است که بین کلکتور و بیس یک تقویت‌کننده ترانزیستوری تک مرحله‌ای متصل شده و موج خروجی سینوسی تولید می‌کند. پیکربندی پایه اسیلاتور کولپیتس دقیقا شبیه به اسیلاتور‌ ها‌رتلی است با این تفاوت که ولتاژ خروجی شبکه رزونانس از وسط دو خازن گرفته می‌شود و دارای یک شبکه جداکننده ولتاژ خازن می‌باشد. (در اسیلاتور‌ ها‌رتلی از یک سیم‌پیچ به حالت اتوترانسفورماتور استفاده می‌شود.)

1) مدار رزونانس اسیلاتور کولپیتس

اسیلاتور کولپیتس از یک شبکه جداکننده ولتاژ خازنی به عنوان منبع فیدبک استفاده می‌کند. دو خازن C1 و C2  مقابل یک سلف (L) قرار می‌گیرند و مدار رزونانس را به وجود می‌آورند. در ضمن، شرط نوسان به صورت XC1+XC2=XL می‌باشد. یکی از مزایای استفاده از این نوع مدار خازنی این است که با حذف شدن ظرفیت القایی متقابل، ثبات فرکانس اسیلاتور افزایش می‌یابد و طراحی ساده‌تر می‌گردد. همانند اسیلاتور‌ ها‌رتلی، اسیلاتور کولپیتس از یک تقویت‌کننده ترانزیستوری دو قطبی تک مرحله‌ای استفاده می‌کند که خروجی اش موج سینوسی می‌باشد. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار پایه اسیلاتور کولپیتس

2) مدار پایه اسیلاتور کولپیتس

ترمینال امیتر ترانزیستور به محل پیوند دو خازن C1 و C2 متصل شده که همانند یک شبکه جداکننده ولتاژ عمل می‌کند. هنگامی‌که منبع‌تغذیه در مدار قرار می‌گیرد، خازن C1 و C2 شروع به شارژ شدن می‌کنند و سپس از طریق سیم‌پیچ L دشارژ می‌شوند. نوسانی که در طول دو خازن رخ می‌دهد، به پیوند بیس-امیتر اعمال می‌شود و به صورت تقویت شده در خروجی کلکتور ظهور می‌کند. مقاومت‌ها‌ی R1  وR2 به بایاس DC ثبات می‌بخشند و خازن‌ها‌ی دیگری که در مدار وجود دارند به عنوان خازن‌ها‌ی بایپس که جریان DC را بلاک می‌کنند به کار می‌روند. همچنین از یک سلف (L2) (RFC) (Radio Frequency Choke) در کلکتور استفاده شده تا در فرکانس نوسان (fr) راکتانس بالایی ایجاد کند و برای جریان DC مقاومت کم باشد تا به شروع نوسان کمک کند. فاز شیفت خارجی مورد نیاز به صورت مشابه با اسیلاتور‌ ها‌رتلی تامین می‌شود و میزان فیدبک توسط نسبت C1 به C2 تعیین خواهد شد. این دو خازن به کمک یکدیگر میزان ثابتی از فیدبک را به وجود می‌آورند و هنگامی‌که یکی از خازن‌ها‌ خودش را با مدار تطبیق دهد، خازن دیگر نیز خودش را تطبیق خواهد داد.

فرکانس نوسان‌ها‌ برای یک اسیلاتور کولپیتس توسط میزان رزونانس مدار LC تعیین و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

در این جا  CT مجموع ظرفیت خازنی C1 و C2 می‌باشد که به صورت زیر محاسبه می‌شود:

پیکربندی تقویت‌کننده ترانزیستوری امیتر مشترک می‌باشد و سیگنال خروجی ۱۸۰ درجه با سیگنال ورودی اختلاف فاز دارد. بنابراین به یک فاز شیفت ۱۸۰ درجه ای دیگر نیاز خواهد بود تا شیفت فاز کلی مدار برابر با ۳۶۰ درجه یا صفر شود که این فاز شیفت از طریق شبکه رزونانس تامین می‌شود. میزان فیدبک بستگی به مقادیر C1 وC2 دارد و می‌توانیم ببینیم که ولتاژ در طول C1، شبیه به ولتاژ خروجی اسیلاتور می‌باشد و ولتاژ دو سر C2، ولتاژ فیدبک اسیلاتورها است. بنابراین افت ولتاژ دو سر C1 خیلی بزرگ تر از افت ولتاژ دو سر C2 می‌باشد. در نتیجه، با تغییر مقادیر خازن‌ها‌ی C1 و C2 می‌توانیم میزان ولتاژ فیدبک را تنظیم کنیم. به هر حال، اگر مقدار فیدبک خیلی زیاد باشد، ممکن است موج خروجی دچار اعوجاج شود. در ضمن اگر مقدار فیدبک کم باشد، نوسان رخ نخواهد داد. میزان فیدبک اسیلاتور کولپیتس وابسته به نرخ C1/C2 است و میزان تحریک پذیری اسیلاتور را تعیین می‌کند. این نسبت “کسر فیدبک” نامیده و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

مثال اول)
یک اسیلاتور کولپیتس دارای 2 مقاومت 24nf و 240nf می‌باشد و این خازن‌ها‌ با یک سلف با ظرفیت القایی 10mH موازی شده‌اند. فرکانس نوسان‌مدار را تعیین و میزان فیدبک را محاسبه کنید. سپس مدار را بکشید.

فرکانس نوسان برای یک اسیلاتور کولپیتس به صورت زیر محاسبه می‌شود:

از آن جایی که مدار کولپیتس شامل ۲ خازن سری می‌باشد، مجموع ظرفیت خازنی به صورت زیر محاسبه می‌شود:

ظرفیت القایی، القاگر 10mH است. بنابراین فرکانس نوسان به صورت زیر خواهد بود:

بنابراین فرکانس نوسان‌ها‌ی اسیلاتور کولپیتس با مشخصات بالا 10.8KHz است و میزان (درصد) فیدبک به صورت زیر محاسبه می‌شود:

مدار اسیلاتور کولپیتس مثال ۱

۳) مدار اسیلاتور کولپیتس مثال اول

اسیلاتور کولپیتس با آپ امپ
همانند اسیلاتور‌ها‌رتلی می‌توان مدار اسیلاتور کولپیتس را با آپ‌امپ طراحی کرد. عملکرد اسیلاتور کولپیتس به همراه آپ‌امپ درست شبیه به نوع ترانزیستوری آن می‌باشد و فرکانس کاری به صورت مشابه محاسبه می‌شود. مدار زیر را در نظر بگیرید.

4) مدار اسیلاتور کولپیتس به همراه آپ‌امپ

پیکربندی بالا یک تقویت‌کننده معکوس‌کننده را نشان می‌دهد. بنابراین، نسبت R2/R1 بهره تقویت‌کننده را مشخص می‌کند. حداقل بهره ای که برای آغاز نوسان مورد نیاز است، 2.9 می‌باشد و مقاومت R3 فیدبک مورد نظر را برای مدار فراهم میکند.

اسیلاتور کولپیتس نسبت به اسیلاتور‌ ها‌رتلی مزایای زیادی دارد؛ از جمله اینکه اسیلاتور کولپیتس موج سینوسی بی نقص‌تری را تولید می‌کند چرا که مسیرها امپدانس کمتری دارند (در فرکانس‌ها‌ی بالا راکتانس خازن کاهش می‌یابد و همین امر مسبب پایین آمدن امپدانس می‌شود.) همچنین، به دلیل ویژگی‌ها‌ی راکتانس خازن، کولپیتس‌ها‌یی که توسط ترانزیستور FET ساخته شده‌اند، می‌توانند در فرکانس‌ها‌ فوق‌العاده بالا عملکرد قابلی قبولی داشته باشند. البته آپ‌امپ یا ترانزیستور FET که در مدار این نوع نوسان ساز به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود، باید قادر باشد در فرکانس‌ها‌ی بالا عملکرد مناسبی داشته باشد.

خلاصه اسیلاتور کولپیتس
بطور خلاصه، اسیلاتور کولپیتس شامل یک مدار رزوناتور LC می‌باشد که فیدبکش از طریق یک مدار جدا کننده ولتاژ خازنی تامین می‌شود و مانند اکثر نوسان‌ساز‌ها‌، اسیلاتور کولپیتس انواع متنوعی دارد که رایج‌ترین نوع آن، مدار ترانزیستوری بود که در بالا شرح داده شد. فیدبکی که از بین خازن‌ها‌ گرفته می‌شود، بخشی از خروجی را به امیتر ترانزیستور فیدبک می‌دهد. دو خازن سری یک سیفت فاز 180 درجه ای را به وجود می‌آورند که دوباره 180 درجه شیفت فاز پیدا می‌کند تا فیدبک مثبت مورد نیاز را تامین کند. فرکانس نوسان که یک موج سینوسی می‌باشد، توسط فرکانس رزونانس مدار LC تعیین می‌شود.

در مقاله بعدی به اسیلاتورهای RC که از مقاومت و خازن برای تولید موج سینوسی استفاده می‌کنند؛ نگاهی می‌اندازیم.