نوسان ساز کولپیتس 

طراحی نوسان‌ساز کولپیتس از دو خازن اتصال مرکزی به صورت سری با یک سلف موازی برای تشکیل مدار مخزن تشدید خود استفاده می‌کند که نوسان‌های سینوسی را تولید می‌کند.

اسیلاتور کولپیتس

در بیشتر مسیرها، کولپیتس برعکس کامل نوسان ساز هارتلی است که در آموزش قبلی بر آن پرداختیم. دقیقا مشابه با نوسان‌ساز هارتلی، مدار مخزن تنظیم شده شامل یک زیر مدار تشدید LC متصل بین کلکتور و بیس یک تقویت‌کننده ترانزیستور تک حالت است که یک شکل موج خروجی سینوسی تولید می‌کند.

پیکربندی پایه نوسان‌ساز کولپیتس همان نوسان‌ساز هارتلی را شبیه‌سازی می‌کند اما این بار تفاوت این است که اتصال مرکزی زیر مدار مخرن اکنون در پیوند یک شبکه “تقسیم‌کننده ولتاژ خازنی” به جای یک سلف از نوع ترانسفورماتور خودکار تنظیم شده همانند نوسان‌ساز هارتلی ساخته شده است.

نوسان ساز کولپیتس یک شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ خازنی را به عنوان منبع فیدبک خود استفاده می‌کند. دو خازن C1 ,C2 در دو سر یک سلف مشترک واحد L همانطور که نشان داده شده قرار گرفته‌اند. سپس C1 ,C2 و L از مدار مخزن تنظیم شده با موقعیت نوسانات به صورت: Xc1+Xc2=XL است که برابر با همان مدار نوسان‌ساز هارتلی است.

مزیت این نوع پیکربندی مدار خازنی این است که با خود القایی و القا متقابل کم درون مدار تانک، پایداری فرکانسی نوسان‌ساز در طول یک طراحی ساده‌تر بهبود یافته است.

همانند نوسان‌ساز هارتلی، نوسان ساز کولپیتس از یک تقویت‌کننده ترانزیستوری دو قطبی تک حالته به عنوان عنصر بهره استفاده می‌کند که یک خروجی سینوسی تولید می‌کند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار نوسان ساز کولپیتس پایه

پایانه امیتر ترانزیستور به صورت موثر به پیوند دو خازن C1 و C2 که به صورت سری به یکدیگر وصل هستند متصل شده است و به صورت یک تقسیم‌کننده ولتاژ ساده عمل می‌کند. وقتی که تغذیه توان در ابتدا اعمال شد، خازن‌های C1 و C2 شارژ می‌شوند و سپس از طریق سلف L تخلیه می‌شوند. نوسانات دو سر خازن‌ها به پیوند بیس – امیتر اعمال شده است  و در خروجی کلکتور به صورت تقویت شده ظاهر می‌شود.

مقاومت‌های R1 و  R2بایاس DC پایدار رایج را برای ترانزیستور در حالت نرمال مهیا می‌کنند درحالیکه خازن‌های اضافی به عنوان یک خازن کنارگذر مسدود شونده DC عمل می‌کند. یک چوک رادیو فرکانسی (RFC) در مدار کلکتور برای مهیا کردن یک راکتانس بالا (به صورت ایده‌آل مدار باز) در فرکانس نوسان (fr) و یک مقاومت پایین در DC برای کمک به شروع نوسان استفاده شده است.

شیفت فاز بیرونی مورد نیاز با همان روش استفاده شده در مدار نوسان‌ساز هارتلی با فیدبک مثبت مورد نیاز به دست آمده برای نوسانات تحمل نشده پایدار به دست می‌آید. مقدار فیدبک توسط نسبت C1 و C2 تعیین شده است. این دو خازن به صورت کلی با یکدیگر برای مهیا کردن یک مقدار ثابت فیدبک “جمع شده” اند بنابراین هنگامی که یکی تنظیم شد دیگری به صورت خودکار پیروی می‌کند.

فرکانس نوسانات برای یک نوسان ساز کولپیتس توسط فرکانس تشدید مدار مخزن LC تعیین شده است و به صورت زیر است:

به طوریکه C_T ظرفیت خازنی خازن‌های C1 و C2 متصل به صورت سری است و به صورت زیر است:

پیکربندی تقویت‌کننده ترانزیستوری یک تقویت‌کننده امیتر مشترک 180 درجه غیر هم فاز سیگنال خروجی با سیگنال ورودی است. شیفت فاز 180 درجه اضافی مورد نیاز برای نوسان توسط این حقیقت که دو خازن به یکدیگر به صورت سری متصل هستند  اما موازی با سیم‌پیچ القایی هستند به دست می‌آید و منجر به شیفت فاز کلی صفر یا 360 درجه می‌شود.

مقدار فیدبک بر مقادیر C1 و C2 وابسته است. می‌توان دید که ولتاژ دو سر C1 برابر با ولتاژ خروجی نوسانات Vout است و ولتاژ دو سر C2 ولتاژ فیدبک نوسانات است. سپس ولتاژ دو سر C1 بسیار بزرگتر از ولتاژ دو سر C2 خواهد شد.

درنتیجه، باتغییر مقادیر خازن‌های C1 و C2 می‌توان مقدار ولتاژ فیدبک برگشتی به مدار مخزن را تنظیم کرد. اگرچه، مقادیر بزرگ فیدبک ممکن است باعث شود تا موج سینوسی خروجی منحرف شود در حالیکه مقادیر کوچک فیدبک ممکن است به مدار اجازه نوسان را ندهد.

سپس مقدار فیدبک توسعه یافته توسط نوسان ساز کولپیتس بر اساس نسبت ظرفیت خازنی C1 و C2 است و چیزی است که تحریک نوسان‌ساز را کنترل می‌کند. این نسبت “کسر فیدبک” نامیده می‌شود و به سادگی به صورت زیر است:

مثال شماره 1 نوسان ساز کولپیتس

یک مدار نوسان ساز کولپیتس دارای دو خازن 24nF و  240nfاست که به صورت موازی با سلف 10mH با یکدیگر وصل شده‌اند. فرکانس نوسانات مدار، کسر فیدبک را تعیین کنید و مدار را ترسیم کنید.

فرکانس نوسان برای یک نوسان ساز کولپیتس به صورت زیر است:

از آنجا که مدار کولپیتس شامل دو خازن سری است، درنتیجه ظرفیت خازنی کلی به صورت زیر است:

ظرفیت القایی سلف به صورت 10mh است، سپس فرکانس نوسانات به صورت:

درنتیجه فرکانس نوسانات برای نوسان ساز کولپیتس 10.8kHz با کسر فیدبک به صورت زیر است:

مدار نوسان ساز کولپیتس

نوسان ساز کولپیتس با تقویت کننده عملیاتی

دقیقا مانند نوسان‌ساز هارتلی قبلی، همانند استفاده از یک ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) به عنوان حالت فعال نوسان‌ساز، می‌توان یک تقویت‌کننده عملیاتی (op-amp) ساخت. عملکرد یک نوسان ساز کولپیتس تقویت‌کننده عملیاتی دقیقا برابر با برای ورژن ترانزیستوری با فرکانس عملیاتی محاسبه شده در همان روش است. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار تقویت کننده عملیاتی نوسان ساز کولپیتس

توجه داشته باشید که به عنوان یک پیکربندی تقویت‌کننده معکوس، نسبت R2/R1 بهره تقویت‌کننده را تنظیم می‌کند. بهره حداقل 2.9 برای آغاز نوسانات لازم است. مقاومت R3 فیدبک مورد نیاز را برای مدار مخزن LC مهیا می‌کند.

مزیت‌های نوسان ساز کولپیتس بر نوسان‌سازهای هارتلی این است که نوسان ساز کولپیتس شکل موج سینوسی خالص‌تری را به دلیل مسیرهای امپدانس پایین خازن‌ها در فرکانس‌های بالا مهیا می‌کند.

همچنین به دلیل ویژگی‌های راکتانس خازنی بر اساس FET، نوسان ساز کولپیتس می‌تواند در فرکانس‌های بسیار بالا عمل کند. همچنین هر تقویت‌کننده عملیاتی یا FET استفاده شده به عنوان قطعه تقویتی باید قادر به عمل کردن در فرکانس‌های بالا مورد نیاز باشد.

خلاصه نوسان‌ساز کولپیتس

نوسان ساز کولپیتس شامل مدار مخزن تشدید LC موازی است که فیدبک آن توسط مسیر تقسیم‌کننده خازنی به دست آمده است. همانند اکثر مدارهای نوسان‌ساز، نوسان ساز کولپیتس در شکل‌های گوناگونی وجود دارد، با رایج‌ترین شکل که شبیه به مدار ترانزیستور بالا است.

اتصال مرکزی زیر مدار مخزن در پیوند یک شبکه “تقسیم‌کننده ولتاژ خازنی” برای تغذیه یک کسری از سیگنال خروجی به عقب به امیتر ترانزیستور ساخته شده است. دو خازن سری یک شیفت فاز 180 درجه که توسط 180 درجه دیگر معکوس شده است برای تولید فیدبک مثبت مورد نیاز تولید می‌کند. فرکانس نوسانی یک ولتاژ موج سینوسی شفاف توسط فرکانس تشدید مدار مخزن تعیین شده است.