Na zajęciach przeprowadzaliśmy analizę generatora w układzie Colpittsa o parametrach zadanych przez prowadzącego jak na schemacie a) :
Obserwacja transient przebiegów na bazie , kolektorze , kondensatorze 0.5 uF oraz na emiterze tranzystora . Wyniki obserwacji przedstawia wykres b) :
Jak widać na wykresie po załączeniu układu do zasilania na bazie tranzystora ( punkt 3 ) powstają fluktuacje napięcia spowodowane np. szumami termicznymi . W programie MICRO-CAP III fluktuacje są symulowane poprzez celowe wprowadzanie błędów zaokrągleń numerycznych . Zakłócenia te są wzmacniane przez tranzystor pracujący w układzie wspólnego emitera . Cewka oraz kondensatory 25 nF , 5 nF oraz 500 nF spełniają funkcję sprzężenia zwrotnego tranzystora . Kondensator 500 nF ma za zadanie odcięcie składowej stałej sygnału pochodzącego z kolektora tranzystora . Pozostałe trzy elementy spełniają rolę filtru pasmowo przepustowego z dzieloną pojemnością , co jest charakterystyczną cecha układu Collpitsa . Wzmocniony sygnał z kolektora poprzez filtr dostaje się na bazę i ulega dalszemu wzmocnieniu , toteż na kolektorze obserwujemy coraz silniejsze drgania . Po pewnym czasie układ osiąga stan ustalony i na jego wyjściu możemy obserwować stabilne drgania harmoniczne , a częstotliwość tych drgań jest ściśle związana z parametrami elementów użytych w obwodzie , a zwłaszcza z pojemnością i indukcyjnością filtru .Dla częstotliwości rezonansowej f0 spełniony jest warunek fazy - przesunięcie sygnału przenoszonego z wyjścia na wejście wynosi 0 . Wzrastanie składowej stałej nałożonej na składową harmoniczną spowodowane jest stanem nieustalonym tuż po włączeniu źródła zasilania . To kondensatory muszą mieć czas na naładowanie się .
Analiza AC charakterystyki modułu i fazy . Wyniki obserwacji przedstawia wykres c)
Charakterystyka przedstawiona na wykresie jest charakterystyką typowego obwodu rezonansowego środkowo przepustowego . Na wykresie widać wyraźny pik modułu wzmocnienia dla częstotliwości rezonansowej wynoszącej ~ 500 KHz . Występuje też wyraźna zmiana fazy ( ~180' ) dla tej częstotliwości . Tak znaczny skok fazy spowodowany jest istnieniem aż czterech elementów reaktancyjnych w filtrze ( w tym trzy z nich mają najistotniejszy wpływ na charakterystyki ) . Wykresy te ilustrują działanie i rolę sprzężenia zwrotnego dołączonego pomiędzy bazę i kolektor tranzystora , które jest niczym innym jak filtrem z dzieloną pojemnością . To dzięki niemu istnieje sprzężenie zwrotne wzbudzające generator . Filtr ten odfiltrowuje zbędne częstotliwości poza częstotliwością rezonansową , więc od jego parametrów będzie zależała częstotliwość generatora oraz jakość i stabilność uzyskanego przebiegu . Zniekształcenia sygnału wyjściowego zależą także od stopnia wysterowania tranzystora , czyli od doboru stałoprądowego punktu pracy . Generator wzbudza się na ściśle określonej częstotliwości , gdyż właśnie dla częstotliwości rezonansowej filtru spełniony jest warunek amplitudy i fazy generatora . Częstotliwość obwodu z dzieloną pojemnością obliczamy z wzoru :
Jak widać zgodnie z oczekiwaniami częstotliwość ta jest zbieżna z częstotliwością pracy generatora .
Badanie wpływu modyfikacji elementów na pracę układu .
Zmiana wartości rezystorów bazowych powodowała zmiany punktu pracy tranzystora , a więc też amplitudy i stopnia zniekształceń sygnału na kolektorze . Zmiany kondensatorów 500 nF nie miały większego wpływy na pracę układu , gdyż elementy te pełnią jedynie funkcję pomocniczą i dla wysokich częstotliwości ( a przy takich pracuje układ ) stanowią zwarcie . Modyfikacje rezystorów emitera i kolektora miały bezpośredni wpływ na wzmocnienie stałoprądowe układu , a przez to na łatwość wzbudzania się generatora . Im większy stosunek RC do RE tym łatwiej było wzbudzić generator . Najistotniejszy wpływ na pracę układu miały zmiany elementów filtru . Już niewielkie modyfikacje elementów powodowały zmianę częstotliwości pracy generatora .
Wnioski i spostrzeżenia :
Generator będący tematem zajęć laboratoryjnych posiada prostą budowę .Możliwe jest też przestrajanie częstotliwości tego generatora w dość szerokim zakresie poprzez umiejętny dobór elementów LC sprzężenia zwrotnego . Istnieją też inne generatory zbliżone pod względem budowy i idei działania np. : generator Hartleya z dzieloną indukcyjnością , generator Clappa ( odmiana układu Colpittsa ) , generator Meissnera ze sprzężeniem transformatorowym strojonym w bazie lub kolektorze tranzystora . Ze względu na prostą budowę i łatwość przestrajania generatory te stosuje się chętnie w zakresie dużych częstotliwości ( rzędu MHz ) np. : w odbiornikach radiowych jako heterodyny . Jednak generatory tego typu nie pozbawione są wad . Należą do nich : trudności ze wzbudzeniem dla niektórych układów ( z niewłaściwie dobranymi wartościami elementów) , generowanie przebiegów odkształconych od sinusoidy ( co widać na wykresie c) ) , oraz zależność amplitudy sygnału wyjściowego od temperatury i napięcia zasilania . Dla małych częstotliwości stosuje się generatory pozbawione kłopotliwych elementów indukcyjnych , które ze względu na duże indukcyjności z możliwością przestrajania są wielkie , ciężkie i kosztowne . Dla małych częstotliwości daje się zauważyć trend wypierania generatorów na elementach dyskretnych generatorami scalonymi strojonymi napięciem lub zmianą wartości jednego elementu ( najczęściej rezystora lub kondensatora ) .