目標(biāo)

振蕩器有多種形式。本次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)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(shí)

Colpitts振蕩器特別擅長在30 kHz至30 MHz的RF范圍內(nèi)產(chǎn)生低失真的正弦波信號(hào)。Colpitts配置的標(biāo)志性特點(diǎn)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(jì)算。

需合理選擇兩個(gè)串聯(lián)電容的值，使其串聯(lián)總電容(CTOT)滿足公式2的計(jì)算結(jié)果。

圖1為典型的Colpitts振蕩器。決定頻率的并聯(lián)諧振調(diào)諧電路由C1、C2和L1組成，用作共基極放大器Q1的集電極負(fù)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(dāng)?shù)闹绷麟娖?，但通過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(hào)同相。這確保了C1和C2之間節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)的一部分從調(diào)諧集電極負(fù)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(chǔ)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(gè)低頻時(shí)間常數(shù)，從而提供與Q1發(fā)射極處的反饋信號(hào)幅度成比例的平均直流電壓電平。這樣就能自動(dòng)控制放大器的增益，從而去調(diào)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(zhǔn)則，即總增益為1，且從輸入到輸出的相移為0度。因?yàn)榘l(fā)射極節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)前仿真

構(gòu)建圖1所示Colpitts振蕩器的仿真原理圖。計(jì)算偏置電阻R1和R2的值，確保當(dāng)發(fā)射極電阻R3設(shè)置為1 kΩ時(shí)，NPN晶體管Q1中的集電極電流約為1 mA。假設(shè)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(nèi)達(dá)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(gè)交流地。將基極去耦電容C3和輸出交流耦合電容C4設(shè)置為0.1 μF。計(jì)算C1和C2的值，確保當(dāng)L1設(shè)置為100 μH時(shí)，諧振頻率接近500 kHz。執(zhí)行瞬態(tài)仿真。保存這些結(jié)果，將它們與實(shí)際電路的測量結(jié)果進(jìn)行比較并將比較結(jié)果隨附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。

材料

ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

無焊試驗(yàn)板和跳線套件

一個(gè)2N3904 NPN晶體管

兩個(gè)10 μH電感

兩個(gè)100 μH電感

一個(gè)1 nF電容（標(biāo)記為102）

一個(gè)4.7 nF電容（標(biāo)記為472）

兩個(gè)0.1 μF電容（標(biāo)記為104）

一個(gè)1 kΩ電阻

所需的其他電阻、電容和電感

說明

使用無焊試驗(yàn)板構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)值，使得發(fā)射極電阻R3設(shè)置為1 kΩ時(shí)，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(nèi)變化。首先設(shè)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(shè)定的頻率。

圖2.Colpitts振蕩器

硬件設(shè)置

試驗(yàn)板電路參見圖3。

圖3.Colpitts振蕩器試驗(yàn)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(fù)檢查接線之后，再打開電源。

程序步驟

完成Colpitts振蕩器的構(gòu)建之后，檢查電路是否正確振蕩，先打開+5 V和-5 V兩個(gè)電源，并將其中一個(gè)示波器通道連接到輸出端。實(shí)驗(yàn)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，R3的值相當(dāng)關(guān)鍵，選擇不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)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(jì)代替它進(jìn)行試驗(yàn)，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(shí)的波形示例。

圖4.Colpitts振蕩器圖

問題

Colpitts振蕩器的主要功能是什么？

哪些實(shí)際應(yīng)用使用Colpitts振蕩器？