Oscilador Colpitts

Um oscilador é uma construção mecânica ou eletrônica que produz oscilação dependendo de algumas variáveis. Todos nós temos dispositivos que precisam de osciladores como um relógio tradicional ou um relógio de pulso. Vários tipos de detectores de metal, computadores onde microcontroladores e microprocessadores estão envolvidos, usam osciladores, especialmente osciladores eletrônicos que produzem sinais periódicos. Discutimos alguns osciladores em nossos tutoriais anteriores:

• Oscilador de mudança de fase RC
• Wein Bridge Oscillator
• Oscilador de cristal de quartzo
• Circuito Oscilador de Mudança de Fase
• Oscilador de tensão controlada (VCO)

O oscilador Colpitts foi inventado pelo engenheiro americano Edwin H. Colpitts em 1918. O oscilador Colpitts funciona com uma combinação de indutores e capacitores formando um filtro LC. O mesmo que outros osciladores O oscilador Colpitts consiste em um dispositivo de ganho e a saída é conectada a um loop de feedback do circuito LC. O oscilador Colpitts é um oscilador linear que produz uma forma de onda sinusoidal.

O circuito do tanque

O principal dispositivo de oscilação no oscilador Colpitts é criado usando o circuito do tanque. O circuito tanque consiste em três componentes - um indutor e dois capacitores. Dois capacitores são conectados em série, e esses capacitores são posteriormente conectados em paralelo com o indutor.

Na imagem acima, três componentes do circuito do tanque são mostrados com conexões adequadas. O processo começa com o carregamento de dois capacitores C1 e C2. Então, dentro do circuito tanque, esses dois capacitores em série descarregam no indutor paralelo L1 e a energia armazenada no capacitor é transferida para o indutor. Devido ao capacitor conectado em paralelo, o indutor agora é descarregado pelos dois capacitores e os capacitores começam a carregar novamente. Essas cargas e descargas em ambos os componentes continuam e, assim, fornecem um sinal de oscilação através dele.

A oscilação é altamente dependente dos capacitores e do valor do indutor. A fórmula abaixo é para determinar a frequência de oscilação:

F = 1 / 2π√LC

onde F é a frequência e L é o indutor, C é a capacitância equivalente total.

A capacitância equivalente dos dois capacitores pode ser determinada usando

C = (C1 x C2) / (C1 + C2)

Durante esta fase de oscilação no circuito tanque, ocorre alguma perda de energia. Para compensar essa energia perdida e sustentar a oscilação dentro do circuito tanque, é necessário um dispositivo de ganho. Existem muitos tipos diferentes de dispositivos de ganho usados ​​para compensar a perda de energia dentro do circuito do tanque. Os dispositivos de ganho mais comuns são transistores e amplificadores operacionais.

Oscilador Colpitts Baseado em Transistores

Na imagem acima, o oscilador Colpitts baseado em transistor é mostrado onde o principal dispositivo de ganho do oscilador é um transistor NPN T1.

No circuito, os resistores R1 e R2 são necessários para a tensão de base. Esses dois resistores são usados ​​para fazer um divisor de tensão na base do Transistor T1. O resistor R3 é usado como um resistor de emissor. Este resistor é muito útil para estabilizar o dispositivo de ganho durante a deriva térmica. O capacitor C3 é usado como um capacitor de desvio do emissor que é conectado em paralelo com o resistor R3. Se removermos este capacitor C3, o sinal AC amplificado será despejado no resistor R3 e resultará em um ganho pobre. Portanto, o capacitor C3 é um caminho fácil para o sinal amplificado. O feedback do circuito tanque é conectado posteriormente usando o C4 à base do transistor T1.

A oscilação do circuito oscilador Colpitts baseado em transistor depende da mudança de fase. Isso é conhecido como critério de barkhausen para o oscilador. De acordo com o critério de Barkhausen, o ganho do loop deve ser ligeiramente maior do que a unidade e a mudança de fase em torno do loop deve ser de 360 ​​graus ou 0 graus. Portanto, durante este caso, para fornecer a oscilação na saída, o circuito total precisa de 0 grau ou mudança de fase de 360 ​​graus. A configuração do transistor como emissor comum fornece uma mudança de fase de 180 graus, enquanto o circuito tanque também contribui com uma mudança de fase adicional de 180 graus. Combinando essas mudanças de duas fases, o circuito total atinge uma mudança de fase de 360 ​​graus, que é responsável pela oscilação.

O feedback pode ser controlado usando os dois capacitores C1 e C2. Esses dois capacitores são conectados em série e a junção é posteriormente conectada ao aterramento da fonte. A tensão em C1 é muito maior do que a tensão em C2. Alterando esses dois valores de capacitor, podemos controlar a tensão de feedback que é posteriormente realimentada para o circuito do tanque. A determinação da tensão de feedback é uma parte crucial do circuito porque a baixa quantidade de tensão de feedback não ativaria a oscilação, enquanto uma alta quantidade de tensão de feedback acabará destruindo a onda senoidal de saída e induzindo distorção.

O oscilador Colpitts pode ser ajustado alterando o valor da indutância e capacitância. Existem duas maneiras de fazer o oscilador Colpitts funcionar em uma configuração de ajuste variável.

A primeira maneira é trocar o indutor como um indutor variável e a outra maneira é trocar os capacitores como um capacitor variável. Na segunda opção, como a tensão de feedback é altamente dependente da relação de C1 e C2, é aconselhável usar um grupo simples. De forma que quando há variação em um capacitor, o outro capacitor também muda sua capacitância de acordo com ele.

Oscilador Colpitts Com Base Op-Amp

Na imagem acima, é mostrado o circuito oscilador Colpitts baseado em amplificador operacional. O amplificador operacional está no modo de configuração de inversão. Os resistores R1 e R2 são usados ​​para fornecer o feedback necessário ao amplificador operacional. O circuito do tanque é conectado junto com o indutor único em paralelo com dois capacitores em série. A entrada do amplificador operacional é conectada ao feedback do circuito tanque.

O funcionamento é o mesmo que o discutido no circuito oscilador Colpitts baseado em transistor acima. Durante a inicialização, o op-amp amplifica o sinal de ruído que é responsável por carregar dois capacitores. O ganho do Colpitts Oscillator baseado em Op-amp é maior do que o Colpitts Oscillator baseado em Transistor.

Diferença entre Colpitts Oscillator e Hartley Oscillator

O oscilador Colpitts é muito semelhante ao oscilador Hartley, mas há uma diferença na construção entre os dois. Embora esses dois circuitos osciladores consistam em três componentes como um circuito tanque, o oscilador Colpitts usa um único indutor em paralelo com dois capacitores em série, enquanto o oscilador Hartley usa exatamente o oposto, um único capacitor em paralelo com dois indutores em série. O oscilador Colpitts tem um desempenho mais estável em operação de alta frequência do que o Oscilador Hartley.

O oscilador Colpitts é uma excelente escolha em operação de alta frequência. Ele pode produzir freqüência de saída na faixa Megahertz, bem como na faixa Kilohertz.

Aplicação do circuito oscilador Colpitts

1. Devido às dificuldades em uma variação suave do indutor e do capacitor, o oscilador Colpitts é usado principalmente para geração de frequência fixa.

2. O principal uso do oscilador Colpitts é em dispositivos móveis ou outros dispositivos de comunicação controlados por radiofrequência.

3. Na oscilação de alta frequência, o oscilador Colpitts é uma escolha excelente. Assim, os dispositivos baseados em osciladores de alta frequência usam o oscilador Colpitts.

4. Em algumas aplicações onde oscilação contínua e não amortecida é necessária além da estabilidade térmica, o oscilador Colpitts é usado.

5. Para aquelas aplicações que precisam de uma ampla faixa de frequências com o mínimo de ruído induzido.

6. Muitos tipos de sensores baseados em SAW usam oscilador Colpitts

7. Vários tipos de detector de metal usam o oscilador Colpitts.

8. O transmissor de radiofrequência relacionado à modulação de frequência usa o oscilador Colpitts.

9. Tem uma grande aplicação em produtos militares e comerciais.

10. Em aplicações de microondas, circuitos caóticos relacionados ao mascaramento de sinal também são necessários. Oscilador Colpitts na faixa de frequência diferente.