目標

     振蕩器有多種形式。本次實驗活動將研究Colpitts配置，該配置使用帶抽頭的電容分壓器來提供反饋路徑。

背景知識

     Colpitts振蕩器特別擅長在30 kHz至30 MHz的RF范圍內產(chǎn)生低失真的正弦波信號。Colpitts配置的標志性特點是其使用帶抽頭的電容分壓器（圖1中的C1和C2）。振蕩頻率可以像任何并聯(lián)諧振電路一樣，使用公式1來計算。

     需合理選擇兩個串聯(lián)電容的值，使其串聯(lián)總電容(CTOT)滿足公式2的計算結果。

     圖1為典型的Colpitts振蕩器。決定頻率的并聯(lián)諧振調諧電路由C1、C2和L1組成，用作共基極放大器Q1的集電極負載阻抗。這使得放大器僅在諧振頻率下具有高增益。Colpitts振蕩器的這種配置使用了共基極放大器。Q1的基極通過電阻分壓器R1和R2偏置到適當?shù)闹绷麟娖剑ㄟ^C3直接連到交流地。在共基極模式下，集電極處的輸出電壓波形與發(fā)射極處的輸入信號同相。這確保了C1和C2之間節(jié)點的輸出信號的一部分從調諧集電極負載反饋到發(fā)射極，從而提供所需的正反饋。請注意，此反饋僅為交流反饋，集電極與發(fā)射極之間不存在直流路徑。

圖1.基礎的Colpitts振蕩器

     C1和C2的組合電容還與發(fā)射極電阻R3共同作用產(chǎn)生一個低頻時間常數(shù)，從而提供與Q1發(fā)射極處的反饋信號幅度成比例的平均直流電壓電平。這樣就能自動控制放大器的增益，從而去調節(jié)振蕩器的閉環(huán)增益。與所有振蕩器一樣，必須遵循Barkhausen準則，即總增益為1，且從輸入到輸出的相移為0度。因為發(fā)射極節(jié)點用作共基極放大器的輸入，所以發(fā)射極電阻R3未去耦?；鶚O通過C3連接到交流地，在振蕩器頻率下其電抗非常低。

實驗前仿真

     構建圖1所示Colpitts振蕩器的仿真原理圖。計算偏置電阻R1和R2的值，確保當發(fā)射極電阻R3設置為1 kΩ時，NPN晶體管Q1中的集電極電流約為1 mA。假設電路采用10 V電源供電。確保R1和R2之和（總電阻大于10 kΩ）在合理范圍內達到最高值，從而盡可能降低電阻分壓器中的靜態(tài)電流。注意，C3在Q1的基極處提供一個交流地。將基極去耦電容C3和輸出交流耦合電容C4設置為0.1 μF。計算C1和C2的值，確保當L1設置為100 μH時，諧振頻率接近500 kHz。執(zhí)行瞬態(tài)仿真。保存這些結果，將它們與實際電路的測量結果進行比較并將比較結果隨附在實驗報告中。

材料

?ADALM2000主動學習模塊

?無焊試驗板和跳線套件

?一個2N3904 NPN晶體管

?兩個10 μH電感

?兩個100 μH電感

?一個1 nF電容（標記為102）

?一個4.7 nF電容（標記為472）

?兩個0.1 μF電容（標記為104）

?一個1 kΩ電阻

?所需的其他電阻、電容和電感

說明

     使用無焊試驗板構建圖2所示的Colpitts振蕩器。從器件套件中選擇偏置電阻R1和R2的標準值，使得發(fā)射極電阻R3設置為1 kΩ時，NPN晶體管Q1中的集電極電流約為1 mA。根據(jù)所選擇的C1、C2和L1值，振蕩器的頻率可以在大約500 kHz到2 MHz的范圍內變化。首先設置L1 = 100 μH、C1 = 4.7 nF且C2 = 1 nF。此振蕩器電路可產(chǎn)生超過10 V p-p的正弦波輸出，其頻率近似于由所選L1值設定的頻率。

圖2.Colpitts振蕩器

硬件設置

試驗板電路參見圖3。

圖3.Colpitts振蕩器試驗板電路

     圖2中的方塊表示連接ADALM2000模塊AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反復檢查接線之后，再打開電源。

程序步驟

     完成Colpitts振蕩器的構建之后，檢查電路是否正確振蕩，先打開+5 V和-5 V兩個電源，并將其中一個示波器通道連接到輸出端。實驗可能會發(fā)現(xiàn)，R3的值相當關鍵，選擇不當可能會導致電路產(chǎn)生較大且失真的波形，或者產(chǎn)生間歇性低輸出，甚至完全沒有輸出。為了找到更合適的R3值，可以用1 kΩ或5 kΩ電位計代替它進行試驗，以尋找波形更優(yōu)、幅度更可靠的電阻值。R3的最優(yōu)值可能隨著諧振頻率的變化而變化。

     圖4為使用R1 = 10 kΩ、R2 = 1 kΩ、C1 = 4.7 nF且C2 = 1 nF時的波形示例。

圖4.Colpitts振蕩器圖

問題

1.Colpitts振蕩器的主要功能是什么？

2.哪些實際應用使用Colpitts振蕩器？

作者簡介

     Antoniu Miclaus是ADI公司的軟件工程師，負責為Linux和無操作系統(tǒng)驅動程序開發(fā)嵌入式軟件，同時從事ADI教學項目、QA自動化和流程管理工作。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他擁有巴比什-波雅依大學軟件工程碩士學位，以及克盧日-納波卡技術大學電子與電信工程學士學位。