कोलपिट्स दोलक

अमेरिकी इंजीनियर एडविन एच. कोल्पिट्स ऑसिलेटर द्वारा 1918 में आविष्कार किया गया है, एलसी ऑसिलेटर्स, इलेक्ट्रॉनिक थरथरानवाला के लिए कई डिज़ाइनों में से है जो दृढ़ आवृत्ति पर दोलन उत्पन्न करने के लिए इंडक्टर्स (एल) औरसंधारित्र (सी) के संयोजन का उपयोग करते हैं। कोल्पिट्स ऑसिलेटर की विशिष्ट विशेषता यह है कि सक्रिय डिवाइस के लिए प्रतिक्रिया प्रारंभ करनेवाला में श्रृंखला में दो कैपेसिटर से बने वोल्टेज विभक्त से लिया जाता है।

सिंहावलोकन

Figure 1: Simple common-base Colpitts oscillator (with simplified biasing)

Figure 2: Simple common-collector Colpitts oscillator (with simplified biasing)

Colpitts सर्किट, अन्य LC ऑसिलेटर्स की तरह, गेन डिवाइस (जैसे बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर, फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर, ऑपरेशनल एम्पलीफायर, या वेक्यूम - ट्यूब ) से युक्त होता है, जिसका आउटपुट समानांतर LC सर्किट वाले प्रतिक्रिया पाश में इसके इनपुट से जुड़ा होता है। (ट्यून्ड सर्किट), जो दोलन की आवृत्ति सेट करने के लिए बंदपास छननी के रूप में कार्य करता है। एम्पलीफायर में अलग-अलग इनपुट और आउटपुट प्रतिबाधाएं होंगी, और इन्हें एलसी सर्किट में इसे अत्यधिक भिगोने के बिना जोड़ा जाना चाहिए।

कोल्पिट्स थरथरानवाला कैपेसिटर की जोड़ी का उपयोग वोल्टेज डिवीजन प्रदान करने के लिए ट्यूनेड सर्किट में और बाहर की ऊर्जा को युगल करने के लिए करता है। (इसे हार्टले थरथरानवाला के विद्युत दोहरे के रूप में माना जा सकता है, जहां प्रतिक्रिया संकेत आगमनात्मक वोल्टेज डिवाइडर से लिया जाता है जिसमें श्रृंखला में दो कॉइल (या टैप किए गए कॉइल) होते हैं।) चित्र 1 सामान्य-बेस कोल्पिट्स सर्किट दिखाता है। प्रारंभ करनेवाला एल और सी का श्रृंखला संयोजन₁ और सी₂ गुंजयमान टैंक सर्किट बनाएं, जो ऑसिलेटर की आवृत्ति निर्धारित करता है। सी भर में वोल्टेज₂ दोलन बनाने के लिए फीडबैक के रूप में ट्रांजिस्टर के बेस-एमिटर जंक्शन पर लागू होता है। अंजीर। 2 सामान्य-संग्राहक संस्करण दिखाता है। यहाँ C के पार वोल्टेज₁ प्रतिक्रिया प्रदान करता है। दोलन की आवृत्ति लगभग एलसी सर्किट की गुंजयमान आवृत्ति है, जो प्रारंभ करनेवाला के साथ समानांतर में दो कैपेसिटर का श्रृंखला संयोजन है:

$f_{0}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L{\frac {C_{1}C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}}}}}.$

जंक्शन कैपेसिटेंस और ट्रांजिस्टर के प्रतिरोधक लोडिंग के कारण दोलन की वास्तविक आवृत्ति थोड़ी कम होगी।

किसी भी थरथरानवाला के साथ, स्थिर संचालन प्राप्त करने के लिए, सक्रिय घटक का प्रवर्धन अनुनादक हानियों के क्षीणन और इसके वोल्टेज विभाजन से मामूली रूप से बड़ा होना चाहिए। इस प्रकार, चर-आवृत्ति दोलक (वीएफओ) के रूप में उपयोग किए जाने वाले कोल्पिट्स ऑसिलेटर सबसे अच्छा प्रदर्शन करते हैं जब ट्यूनिंग के लिए चर अधिष्ठापन का उपयोग किया जाता है, जैसा कि दो कैपेसिटर में से केवल को ट्यून करने के विपरीत होता है। यदि परिवर्तनीय संधारित्र द्वारा ट्यूनिंग की आवश्यकता है, तो इसे प्रारंभ करनेवाला (या ताली थरथरानवाला के रूप में श्रृंखला में) के समानांतर जुड़े तीसरे संधारित्र के साथ किया जाना चाहिए।

व्यावहारिक उदाहरण

चित्र 3: व्यावहारिक कॉमन-बेस कोलपिट्स ऑसिलेटर ~50 मेगाहर्ट्ज की दोलन आवृत्ति के साथ

चित्र 3 घटक मानों के साथ कार्यशील उदाहरण दिखाता है। द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर के बजाय, अन्य सक्रिय घटकों जैसे क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर या वैक्यूम ट्यूब, जो वांछित आवृत्ति पर लाभ पैदा करने में सक्षम हैं, का उपयोग किया जा सकता है।

बेस पर कैपेसिटर पैरासिटिक इंडक्शन के लिए जमीन पर एसी पथ प्रदान करता है जो अवांछित आवृत्तियों पर अवांछित अनुनाद का कारण बन सकता है। आधार के बायसिंग प्रतिरोधों का चयन तुच्छ नहीं है। महत्वपूर्ण बायस करंट के लिए आवधिक दोलन शुरू होता है और बायस करंट की भिन्नता के साथ उच्च मूल्य अराजकता सिद्धांत दोलनों को देखा जाता है।

सिद्धांत

आदर्श कोल्पिट्स थरथरानवाला मॉडल (सामान्य-संग्राहक विन्यास)

थरथरानवाला विश्लेषण की विधि किसी भी प्रतिक्रियाशील घटकों की उपेक्षा करते हुए इनपुट पोर्ट के इनपुट प्रतिबाधा का निर्धारण करना है। यदि प्रतिबाधा नकारात्मक प्रतिरोध शब्द उत्पन्न करती है, तो दोलन संभव है। दोलन की स्थिति और दोलन की आवृत्ति निर्धारित करने के लिए यहां इस पद्धति का उपयोग किया जाएगा।

आदर्श मॉडल को दाईं ओर दिखाया गया है। यह कॉन्फ़िगरेशन उपरोक्त अनुभाग में सामान्य संग्राहक सर्किट को मॉडल करता है। प्रारंभिक विश्लेषण के लिए, परजीवी तत्वों और डिवाइस गैर रेखीयता पर ध्यान नहीं दिया जाएगा। इन शर्तों को बाद में और अधिक कठोर विश्लेषण में शामिल किया जा सकता है। इन अनुमानों के साथ भी प्रायोगिक परिणामों के साथ स्वीकार्य तुलना संभव है।

प्रारंभ करनेवाला की उपेक्षा करते हुए, आधार पर इनपुट विद्युत प्रतिबाधा को इस रूप में लिखा जा सकता है

$Z_{\text{in}}={\frac {v_{1}}{i_{1}}},$

कहाँ $v_{1}$ इनपुट वोल्टेज है, और $i_{1}$ इनपुट करंट है। वोल्टेज $v_{2}$ द्वारा दिया गया है

$v_{2}=i_{2}Z_{2},$

कहाँ $Z_{2}$ का प्रतिबाधा है $C_{2}$. में करंट प्रवाहित हो रहा है $C_{2}$ है $i_{2}$, जो दो धाराओं का योग है:

$i_{2}=i_{1}+i_{s},$

कहाँ $i_{s}$ ट्रांजिस्टर द्वारा आपूर्ति की जाने वाली धारा है। $i_{s}$ द्वारा दिया गया निर्भर वर्तमान स्रोत है

$i_{s}=g_{m}(v_{1}-v_{2}),$

कहाँ $g_{m}$ ट्रांजिस्टर का transconductance है। इनपुट करंट $i_{1}$ द्वारा दिया गया है

$i_{1}={\frac {v_{1}-v_{2}}{Z_{1}}},$

कहाँ $Z_{1}$ का प्रतिबाधा है $C_{1}$. के लिए हल करना $v_{2}$ और उपरोक्त पैदावार को प्रतिस्थापित करना

$Z_{\text{in}}=Z_{1}+Z_{2}+g_{m}Z_{1}Z_{2}.$

इनपुट प्रतिबाधा अवधि के साथ श्रृंखला में दो कैपेसिटर के रूप में दिखाई देती है $R_{\text{in}}$, जो दो प्रतिबाधाओं के गुणनफल के समानुपाती होता है:

$R_{\text{in}}=g_{m}Z_{1}Z_{2}.$

अगर $Z_{1}$ और $Z_{2}$ जटिल हैं और उसी चिह्न के हैं, फिर $R_{\text{in}}$ नकारात्मक प्रतिरोध होगा। यदि प्रतिबाधा के लिए $Z_{1}$ और $Z_{2}$ स्थानापन्न हैं, $R_{\text{in}}$ है

$R_{\text{in}}={\frac {-g_{m}}{\omega ^{2}C_{1}C_{2}}}.$

यदि प्रारंभ करनेवाला इनपुट से जुड़ा है, तो सर्किट दोलन करेगा यदि नकारात्मक प्रतिरोध का परिमाण प्रारंभ करनेवाला और किसी भी आवारा तत्वों के प्रतिरोध से अधिक है। दोलन की आवृत्ति पिछले खंड में दी गई है।

उपरोक्त उदाहरण ऑसिलेटर के लिए, उत्सर्जक धारा लगभग 1 एम्पेयर है। ट्रांसकंडक्शन लगभग 40 सीमेंस (यूनिट) है। अन्य सभी मूल्यों को देखते हुए, इनपुट प्रतिरोध मोटे तौर पर है

$R_{\text{in}}=-30\ \Omega .$

सर्किट में किसी भी सकारात्मक प्रतिरोध को दूर करने के लिए यह मान पर्याप्त होना चाहिए। निरीक्षण से, ट्रांसकंडक्शन के बड़े मूल्यों और समाई के छोटे मूल्यों के लिए दोलन की संभावना अधिक होती है। कॉमन-बेस ऑसिलेटर के अधिक जटिल विश्लेषण से पता चलता है कि दोलन प्राप्त करने के लिए कम-आवृत्ति एम्पलीफायर वोल्टेज लाभ कम से कम 4 होना चाहिए। निम्न-आवृत्ति लाभ द्वारा दिया जाता है

$A_{v}=g_{m}R_{p}\geq 4.$

हार्टले और कोलपिट्स ऑसिलेटर्स की तुलना

यदि दो कैपेसिटर को इंडक्टर्स द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, और चुंबकीय युग्मन को नजरअंदाज कर दिया जाता है, तो सर्किट हार्टले ऑसिलेटर बन जाता है। उस स्थिति में, इनपुट प्रतिबाधा दो इंडिकेटर्स का योग है और इसके द्वारा दिया गया नकारात्मक प्रतिरोध है

$R_{\text{in}}=-g_{m}\omega ^{2}L_{1}L_{2}.$

हार्टले सर्किट में, ट्रांसकंडक्शन के बड़े मूल्यों और अधिष्ठापन के बड़े मूल्यों के लिए दोलन की संभावना अधिक होती है।

उपरोक्त विश्लेषण पियर्स ऑसिलेटर के व्यवहार का भी वर्णन करता है। पियर्स थरथरानवाला, दो कैपेसिटर और प्रारंभ करनेवाला के साथ, कोल्पिट्स थरथरानवाला के बराबर है। दो कैपेसिटर के जंक्शन को ग्राउंड पॉइंट के रूप में चुनकर समानता दिखायी जा सकती है। दो इंडक्टर्स और कैपेसिटर का उपयोग कर मानक पियर्स ऑसीलेटर का विद्युत दोहरी हार्टले ऑसीलेटर के बराबर है।

दोलन आयाम

दोलन के आयाम की भविष्यवाणी करना आम तौर पर मुश्किल होता है, लेकिन वर्णन फ़ंक्शन विधि का उपयोग करके अक्सर इसका सटीक अनुमान लगाया जा सकता है।

चित्र 1 में सामान्य-आधार थरथरानवाला के लिए, सरलीकृत मॉडल पर लागू यह दृष्टिकोण आउटपुट (कलेक्टर) वोल्टेज आयाम द्वारा दिए गए भविष्यवाणी करता है

$V_{C}=2I_{C}R_{L}{\frac {C_{2}}{C_{1}+C_{2}}},$

कहाँ $I_{C}$ पूर्वाग्रह वर्तमान है, और $R_{L}$ कलेक्टर पर भार प्रतिरोध है।

यह मानता है कि ट्रांजिस्टर संतृप्त नहीं होता है, संग्राहक धारा संकीर्ण दालों में प्रवाहित होती है, और यह कि आउटपुट वोल्टेज साइनसॉइडल (कम विरूपण) है।

यह अनुमानित परिणाम विभिन्न सक्रिय उपकरणों, जैसे MOSFETs और निर्वात पम्प ट्यूब को नियोजित करने वाले ऑसिलेटर्स पर भी लागू होता है।

अग्रिम पठन

• Lee, T. (December 2003). The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits. Cambridge University Press. ISBN 978-0521835398.
• Rohde, Ulrich L.; Poddar, Ajay K.; Böck, Georg (May 2005). The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications. New York, NY: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-72342-8..
• Vendelin, George; Pavio, Anthony M.; Rohde, Ulrich L. (May 2005). Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques. New York, NY: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-41479-4..
• Rohde, Ulrich L.; Apte, Anisha M. (August 2016). "Everything You Always Wanted to Know About Colpitts Oscillators". IEEE Microwave Magazine. 17 (6): 59–76. doi:10.1109/MMM.2016.2561498. S2CID 34141887.
• Apte, Anisha M.; Poddar, Ajay K.; Rohde, Ulrich L.; Rubiola, Enrico (2016). Colpitts oscillator: A new criterion of energy saving for high performance signal sources. IEEE International Frequency Control Symposium. doi:10.1109/FCS.2016.7546729.