Osilator Colpitts
Desain Osilator Colpitts menggunakan dua kapasitor yang disadap pusat secara seri dengan induktor paralel untuk membentuk rangkaian tangki resonansinya yang menghasilkan osilasi sinusoidal.
Dalam banyak hal, Osilator Colpitts adalah kebalikan dari Osilator Hartley yang kita lihat di tutorial sebelumnya. Tetapi sama seperti osilator Hartley, rangkaian tangki yang disetel terdiri dari sub-rangkaian resonansi LC yang terhubung antara collector dan base penguat transistor satu tahap yang menghasilkan output bentuk gelombang sinusoidal.
Konfigurasi dasar Osilator Colpitts mirip dengan Osilator Hartley tetapi perbedaan kali ini adalah bahwa penyadapan tengah sub-rangkaian tangki sekarang dibuat di persimpangan jaringan “pembagi tegangan kapasitif” alih-alih induktor tipe Autotransformator CT. seperti pada osilator Hartley.
Osilator Colpitts menggunakan jaringan pembagi tegangan kapasitif sebagai sumber umpan baliknya. Dua Kapasitor, C1 dan C2 ditempatkan di satu Induktor tunggal, L seperti yang ditunjukkan. Kemudian C1, C2 dan L membentuk rangkaian tangki yang disetel dengan syarat osilasi adalah: XC1 + XC2 = XL, sama seperti untuk rangkaian osilator Hartley.
Kelebihan dari jenis konfigurasi rangkaian kapasitif ini adalah bahwa dengan induktansi diri dan timbal balik yang lebih sedikit dalam rangkaian tangki, stabilitas frekuensi osilator ditingkatkan seiring dengan desain yang lebih sederhana.
Seperti halnya osilator Hartley, osilator Colpitts menggunakan penguat transistor bipolar (BJT) satu tahap sebagai gain elemen yang menghasilkan output sinusoidal. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Terminal emitter dari Transistor secara efektif terhubung ke persimpangan dua kapasitor, C1 dan C2 yang dihubungkan secara seri dan bertindak sebagai pembagi tegangan sederhana. Ketika power supply pertama diterapkan, kapasitor C1 dan C2 mengisi dan kemudian melepas melalui coil L. Osilasi di seluruh kapasitor diterapkan ke persimpangan base-emitter dan muncul di amplifikasi pada output collector.
Resistor, R1 dan R2 memberikan bias DC stabil yang biasa untuk transistor secara normal sementara kapasitor tambahan bertindak sebagai kapasitor bypass pemblokiran DC. Radio-frequency choke (RFC) digunakan dalam rangkaian collector untuk memberikan reaktansi tinggi (idealnya rangkaian terbuka) pada frekuensi osilasi, ( ƒr ) dan resistansi rendah pada DC untuk membantu memulai osilasi.
Kemudian pergeseran fasa eksternal yang dibutuhkan didapat dengan cara yang serupa dengan yang ada di rangkaian osilator Hartley dengan umpan balik positif yang dibutuhkan yang didapat untuk osilasi yang tidak terkendali berkelanjutan.
Jumlah umpan balik ditentukan oleh rasio C1 dan C2. Kedua kapasitansi ini umumnya "digabungkan" untuk memberikan jumlah umpan balik yang konstan sehingga ketika satu disesuaikan, yang lain akan secara otomatis mengikuti.
Frekuensi osilasi untuk Osilator Colpitts ditentukan oleh frekuensi resonansi dari rangkaian tangki LC dan diberikan sebagai:
di mana C T adalah kapasitansi C1 dan C2 yang terhubung secara seri dan diberikan sebagai:
Konfigurasi penguat transistor adalah Penguat Common Emitter dengan sinyal output 180° diluar-fasa sehubungan dengan sinyal input. Pergeseran fasa 180° tambahan yang diperlukan untuk osilasi dicapai oleh fakta bahwa dua kapasitor dihubungkan bersama secara seri tetapi secara paralel dengan coil induktif yang menghasilkan pergeseran fasa keseluruhan dari rangkaian menjadi nol atau 360°.
Jumlah umpan balik tergantung pada nilai-nilai C1 dan C2. Kita dapat melihat bahwa tegangan melintasi C1 adalah sama dengan tegangan output osilator, Vout dan bahwa tegangan lintas C2 adalah tegangan umpan balik osilator. Maka tegangan melintasi C1 akan jauh lebih besar dari pada C2.
Oleh karena itu, dengan mengubah nilai kapasitor, C1 dan C2 kita dapat menyesuaikan jumlah tegangan umpan balik yang dikembalikan ke rangkaian tangki. Namun, sejumlah besar umpan balik dapat menyebabkan gelombang sinusoidal output menjadi terdistorsi, sementara sejumlah kecil umpan balik mungkin tidak memungkinkan rangkaian berosilasi.
Kemudian jumlah umpan balik yang dikembangkan oleh osilator Colpitts didasarkan pada rasio kapasitansi C1 dan C2 dan inilah yang mengatur eksitasi osilator. Rasio ini disebut "fraksi umpan balik" dan diberikan hanya sebagai:
Frekuensi osilasi untuk Osilator Colpitts diberikan sebagai:
Karena rangkaian colpitts terdiri dari dua kapasitor secara seri, maka total kapasitansi adalah:
Induktansi induktor diberikan sebagai 10mH, maka frekuensi osilasi adalah:
Frekuensi osilasi untuk Osilator Colpitts karenanya 10.8kHz dengan fraksi umpan balik yang diberikan sebagai:
Perhatikan bahwa sebagai konfigurasi Penguat Inverting, rasio R2/R1 menentukan gain penguat. Gain minimum 2.9 diperlukan untuk memulai osilasi. Resistor R3 memberikan umpan balik yang diperlukan ke rangkaian tangki LC.
Kelebihan dari Osilator Colpitts dibandingkan dengan osilator Hartley adalah bahwa osilator Colpitts menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal yang lebih murni karena jalur impedansi rendah kapasitor pada frekuensi tinggi.
Juga karena sifat Reaktansi Kapasitif ini osilator Colpitts berbasis FET dapat beroperasi pada frekuensi yang sangat tinggi. Tentu saja Op-amp atau FET apa pun yang digunakan sebagai perangkat penguat harus dapat beroperasi pada frekuensi tinggi yang diperlukan.
Sentuhan tengah dari sub-rangkaian tangki dibuat di persimpangan jaringan "pembagi tegangan kapasitif" untuk memberi makan sebagian kecil dari sinyal output kembali ke emitter transistor.
Dua kapasitor secara seri menghasilkan pergeseran fasa 180° yang dibalikkan oleh 180° lainnya untuk menghasilkan umpan balik positif yang diperlukan. Frekuensi osilasi yang merupakan tegangan gelombang sinusoidal murni ditentukan oleh frekuensi resonansi dari rangkaian tangki.
Dalam tutorial selanjutnya tentang Osilator, kita akan melihat Osilator RC yang menggunakan resistor dan kapasitor sebagai rangkaian tangki untuk menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal.
Dalam banyak hal, Osilator Colpitts adalah kebalikan dari Osilator Hartley yang kita lihat di tutorial sebelumnya. Tetapi sama seperti osilator Hartley, rangkaian tangki yang disetel terdiri dari sub-rangkaian resonansi LC yang terhubung antara collector dan base penguat transistor satu tahap yang menghasilkan output bentuk gelombang sinusoidal.
Konfigurasi dasar Osilator Colpitts mirip dengan Osilator Hartley tetapi perbedaan kali ini adalah bahwa penyadapan tengah sub-rangkaian tangki sekarang dibuat di persimpangan jaringan “pembagi tegangan kapasitif” alih-alih induktor tipe Autotransformator CT. seperti pada osilator Hartley.
Osilator Colpitts menggunakan jaringan pembagi tegangan kapasitif sebagai sumber umpan baliknya. Dua Kapasitor, C1 dan C2 ditempatkan di satu Induktor tunggal, L seperti yang ditunjukkan. Kemudian C1, C2 dan L membentuk rangkaian tangki yang disetel dengan syarat osilasi adalah: XC1 + XC2 = XL, sama seperti untuk rangkaian osilator Hartley.
Kelebihan dari jenis konfigurasi rangkaian kapasitif ini adalah bahwa dengan induktansi diri dan timbal balik yang lebih sedikit dalam rangkaian tangki, stabilitas frekuensi osilator ditingkatkan seiring dengan desain yang lebih sederhana.
Seperti halnya osilator Hartley, osilator Colpitts menggunakan penguat transistor bipolar (BJT) satu tahap sebagai gain elemen yang menghasilkan output sinusoidal. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Rangkaian Dasar Osilator Colpitts
Terminal emitter dari Transistor secara efektif terhubung ke persimpangan dua kapasitor, C1 dan C2 yang dihubungkan secara seri dan bertindak sebagai pembagi tegangan sederhana. Ketika power supply pertama diterapkan, kapasitor C1 dan C2 mengisi dan kemudian melepas melalui coil L. Osilasi di seluruh kapasitor diterapkan ke persimpangan base-emitter dan muncul di amplifikasi pada output collector.
Resistor, R1 dan R2 memberikan bias DC stabil yang biasa untuk transistor secara normal sementara kapasitor tambahan bertindak sebagai kapasitor bypass pemblokiran DC. Radio-frequency choke (RFC) digunakan dalam rangkaian collector untuk memberikan reaktansi tinggi (idealnya rangkaian terbuka) pada frekuensi osilasi, ( ƒr ) dan resistansi rendah pada DC untuk membantu memulai osilasi.
Kemudian pergeseran fasa eksternal yang dibutuhkan didapat dengan cara yang serupa dengan yang ada di rangkaian osilator Hartley dengan umpan balik positif yang dibutuhkan yang didapat untuk osilasi yang tidak terkendali berkelanjutan.
Jumlah umpan balik ditentukan oleh rasio C1 dan C2. Kedua kapasitansi ini umumnya "digabungkan" untuk memberikan jumlah umpan balik yang konstan sehingga ketika satu disesuaikan, yang lain akan secara otomatis mengikuti.
Frekuensi osilasi untuk Osilator Colpitts ditentukan oleh frekuensi resonansi dari rangkaian tangki LC dan diberikan sebagai:
Jumlah umpan balik tergantung pada nilai-nilai C1 dan C2. Kita dapat melihat bahwa tegangan melintasi C1 adalah sama dengan tegangan output osilator, Vout dan bahwa tegangan lintas C2 adalah tegangan umpan balik osilator. Maka tegangan melintasi C1 akan jauh lebih besar dari pada C2.
Oleh karena itu, dengan mengubah nilai kapasitor, C1 dan C2 kita dapat menyesuaikan jumlah tegangan umpan balik yang dikembalikan ke rangkaian tangki. Namun, sejumlah besar umpan balik dapat menyebabkan gelombang sinusoidal output menjadi terdistorsi, sementara sejumlah kecil umpan balik mungkin tidak memungkinkan rangkaian berosilasi.
Kemudian jumlah umpan balik yang dikembangkan oleh osilator Colpitts didasarkan pada rasio kapasitansi C1 dan C2 dan inilah yang mengatur eksitasi osilator. Rasio ini disebut "fraksi umpan balik" dan diberikan hanya sebagai:
Contoh: Osilator Colpitts No.1
Sebuah rangkaian Osilator Colpitts memiliki dua kapasitor dari 24nF dan 240nF masing-masing dihubungkan secara paralel dengan induktor dari 10mH. Tentukan frekuensi osilasi rangkaian, fraksi umpan balik, dan gambar rangkaian.Frekuensi osilasi untuk Osilator Colpitts diberikan sebagai:
Rangkaian Osilator Colpitts
Osilator Colpitts menggunakan Op-amp
Sama seperti Osilator Hartley sebelumnya, serta menggunakan transistor bipolar (BJT) sebagai tahap aktif osilator, kita juga bisa menjadi penguat operasional, (Op-amp). Pengoperasian Op-amp Osilator Colpitts persis sama dengan versi transistorized dengan frekuensi operasi yang dihitung dengan cara yang sama. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.Rangkaian Op-amp Osilator Colpitts
Perhatikan bahwa sebagai konfigurasi Penguat Inverting, rasio R2/R1 menentukan gain penguat. Gain minimum 2.9 diperlukan untuk memulai osilasi. Resistor R3 memberikan umpan balik yang diperlukan ke rangkaian tangki LC.
Kelebihan dari Osilator Colpitts dibandingkan dengan osilator Hartley adalah bahwa osilator Colpitts menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal yang lebih murni karena jalur impedansi rendah kapasitor pada frekuensi tinggi.
Juga karena sifat Reaktansi Kapasitif ini osilator Colpitts berbasis FET dapat beroperasi pada frekuensi yang sangat tinggi. Tentu saja Op-amp atau FET apa pun yang digunakan sebagai perangkat penguat harus dapat beroperasi pada frekuensi tinggi yang diperlukan.
Ringkasan Osilator Colpitts
Kemudian untuk meringkas, Osilator Colpitts terdiri dari rangkaian tangki resonator LC paralel yang umpan baliknya dicapai melalui pembagi kapasitif. Seperti kebanyakan rangkaian osilator, osilator Colpitts ada dalam beberapa bentuk, dengan bentuk yang paling umum mirip dengan rangkaian transistor di atas.Sentuhan tengah dari sub-rangkaian tangki dibuat di persimpangan jaringan "pembagi tegangan kapasitif" untuk memberi makan sebagian kecil dari sinyal output kembali ke emitter transistor.
Dua kapasitor secara seri menghasilkan pergeseran fasa 180° yang dibalikkan oleh 180° lainnya untuk menghasilkan umpan balik positif yang diperlukan. Frekuensi osilasi yang merupakan tegangan gelombang sinusoidal murni ditentukan oleh frekuensi resonansi dari rangkaian tangki.
Dalam tutorial selanjutnya tentang Osilator, kita akan melihat Osilator RC yang menggunakan resistor dan kapasitor sebagai rangkaian tangki untuk menghasilkan bentuk gelombang sinusoidal.