कोलपिट्स दोलक

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

अवलोकन

चित्र 1: सरल कॉमन-बेस कोलपिट्स ऑसिलेटर (सरलीकृत बायसिंग के साथ)

चित्र 2: सरल कॉमन-कलेक्टर कोलपिट्स ऑसिलेटर (सरलीकृत बायसिंग)

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

कोल्पिट्स ऑसिलेटर संधारित्र की जोड़ी का उपयोग वोल्टेज डिवीजन प्रदान करने के लिए ट्यूनेड परिपथ में और बाहर की ऊर्जा को युगल करने के लिए करता है। (इसे हार्टले ऑसिलेटर 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 परिपथ दिखाता है। प्रारंभ में L और C₁ और C₂ का श्रृंखला संयोजन टैंक परिपथ बनाता है, जो ऑसिलेटर की आवृत्ति निर्धारित करता है। दोलन बनाने के लिए प्रतिक्रिया के रूप में, ट्रांजिस्टर के बेस-एमिटर जंक्शन पर C₂ के पार वोल्टेज प्रारम्भ किया जाता है। चित्र 2 सामान्य-संग्राहक संस्करण दिखाता है। जहाँ C₁ के पार वोल्टेज प्रतिक्रिया प्रदान करता है। दोलन की आवृत्ति लगभग LC परिपथ की आवृत्ति है, जो प्रारंभ 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 अल्प होती है।

किसी भी ऑसिलेटर के साथ, स्थिर संचालन प्राप्त करने के लिए, सक्रिय घटक का प्रवर्धन अनुनादक हानियों के क्षीणन और इसके वोल्टेज विभाजन से सामान्य रूप से बड़ा होना चाहिए। इस प्रकार, चर-आवृत्ति दोलक (वीएफओ) के रूप में उपयोग किए जाने वाले कोल्पिट्स ऑसिलेटर सबसे उत्तम प्रदर्शन करते हैं जब ट्यूनिंग के लिए चर अधिष्ठापन का उपयोग किया जाता है, जैसा कि दो कैपेसिटर में केवल ट्यून के विपरीत होता है। यदि परिवर्तनीय संधारित्र द्वारा ट्यूनिंग की आवश्यकता है, तो इसे प्रारंभ में (या ताली ऑसिलेटर के रूप में श्रृंखला में) समानांतर से 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 अतिरिक्त, अन्य सक्रिय घटकों जैसे क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर या वैक्यूम ट्यूब, जो वांछित आवृत्ति पर लाभ उत्पन्न करने में सक्षम हैं, और इसका उपयोग किया जा सकता है।

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

सिद्धांत

आदर्श कोल्पिट्स ऑसिलेट रमॉडल (सामान्य-संग्राहक विन्यास)

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

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

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

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

जहाँ $v_{1}$ इनपुट वोल्टेज है, और $i_{1}$ इनपुट धारा है। वोल्टेज $v_{2}$ द्वारा दिया गया है:

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

जहाँ $Z_{2}$ का प्रतिबाधा है $C_{2}$ में धारा प्रवाहित हो रहा है $C_{2}$ में $i_{2}$ दो धाराओं का योग है:

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

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

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

जहाँ $g_{m}$ ट्रांजिस्टर का ट्रांस चालन है। इनपुट धारा $i_{1}$ द्वारा दिया गया है:

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

जहाँ $Z_{1}$ का प्रतिबाधा है $C_{1}$ के लिए समाधान करना $v_{2}$ और उपरोक्त उपज को प्रतिस्थापित करना है:

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

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:

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

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

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

यदि प्रारंभ इनपुट से जुड़ा है, तो परिपथ दोलन करेगा यदि नकारात्मक प्रतिरोध का परिमाण प्रारंभ में और किसी भी व्यर्थ तत्वों के प्रतिरोध से अधिक है। दोलन की आवृत्ति पूर्व 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 सामान्य है-

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

परिपथ में किसी भी सकारात्मक प्रतिरोध को दूर करने के लिए यह मान पर्याप्त होना चाहिए। निरीक्षण से, ट्रांसकंडक्शन के बड़े मूल्यों और संधारित्र के छोटे मूल्यों के लिए दोलन की संभावना अधिक होती है। कॉमन-बेस ऑसिलेटर के अधिक जटिल विश्लेषण से ज्ञात होता 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 अशिष्टता कर दिया जाता है, तो परिपथ 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 परिपथ में, ट्रांसकंडक्शन 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 ऑसिलेटर, दो कैपेसिटर और प्रारंभ में, कोल्पिट्स ऑसिलेटर के समान है। दो कैपेसिटर के जंक्शन को ग्राउंड पॉइंट के रूप में चयन करके समानता दिखायी जा सकती है। दो इंडक्टर्स और कैपेसिटर का उपयोग कर मानक पियर्स ऑसीलेटर का विद्युत दोहरी हार्टले ऑसीलेटर के समान होता है।

दोलन आयाम

दोलन के आयाम की भविष्यवाणी करना सामान्यतः कठोर होता है, किन्तु वर्णन फ़ंक्शन विधि का उपयोग करके अक्सर इसका त्रुटिहीन अनुमान लगाया जा सकता है।

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

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

जहाँ $I_{C}$ 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 आउटपुट वोल्टेज साइनसॉइडल (कम विरूपण) है।

यह अनुमानित परिणाम विभिन्न सक्रिय उपकरणों, जैसे मॉस्फेट्स और निर्वात पम्प ट्यूब को नियोजित करने वाले ऑसिलेटर्स पर भी प्रारम्भ 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.