Un oscilador Colpitts consta de dos reactancias capacitivas y una reactancia inductiva en un circuito de tanque o red de retroalimentación. El circuito oscilador Colpitts es similar al circuito oscilador Hartley, excepto que la conexión de la derivación se realiza en la unión del capacitor en lugar de en la unión del inductor.
Por tanto, el circuito del tanque forma una red de inversión de fases. Los Colpitt se utilizan en aplicaciones que requieren la generación de vibraciones sinusoidales de alta frecuencia. Se utilizan habitualmente en generadores de señales comerciales de hasta 100 MHz.
Antes de analizar la configuración del circuito de un oscilador Colpitts, sepamos cómo funciona su circuito de tanque.
Tabla de contenido
Circuito del tanque oscilador Colpitts
Este circuito de tanque oscilador de onda sinusoidal consta de un solo inductor y dos condensadores conectados en serie que están conectados a tierra a través de una conexión común, como se muestra en la figura. Los valores de C1 y C2 se eligen de modo que la relación de sus valores produzca la señal de retroalimentación proporcional requerida.
Dado que estos condensadores están colocados en serie, la relación de los voltajes a través de esta disposición es inversamente proporcional al valor de su relación. Por lo tanto, la capacitancia total del circuito del tanque está determinada por la ley de la suma de productos aplicada a los valores del capacitor.
Similar al oscilador Hartley, el oscilador Colpitts consta de dos secciones principales: una sección de amplificador y una sección de tanque. Cada sección es responsable de crear un cambio de fase de 180 grados en el voltaje de salida de CA, por lo que la forma de onda de salida de este oscilador se asemeja a una onda sinusoidal estándar en el momento en que sale del oscilador.
Cuando se aplica energía al circuito, el transistor se enciende utilizando un pequeño voltaje de ruido como voltaje de polarización. Esto aumenta la corriente del colector, lo que hace que los condensadores C1 y C2 comiencen a cargarse.
Una vez que están completamente cargados, se inicia la descarga a través del inductor L estabilizando las oscilaciones amortiguadas en el circuito del tanque.
Por tanto, se genera una tensión alterna entre las combinaciones de condensadores. Las vibraciones a través del condensador C2 se aplican a la unión base-emisor del transistor.
Estas oscilaciones se amplifican y se desfasan dentro del amplificador de transistores. Por lo tanto, se produce una oscilación sostenida y no amortiguada en la salida del amplificador.
La frecuencia de oscilación del oscilador Colpitts viene dada por la siguiente fórmula:
f = 1/ (2π√ (LCeq))
Donde, Ceq = C1 C2 / (C1 + C2)
De la ecuación anterior, podemos ver que el oscilador Colpitts es similar a otros osciladores LC excepto por el circuito del tanque. Estos osciladores normalmente se sintonizan variando la inductancia o capacitancia del circuito.
Sin embargo, es difícil obtener cambios suaves usando la inductancia L, por lo que las capacitancias C1 y C2 deben ajustarse simultáneamente en una proporción de 100:1 para obtener una frecuencia variable.
Esta es una tarea difícil que requiere un condensador variable de valor extra grande. Por tanto, estos osciladores se utilizan habitualmente para generar señales de frecuencia fija.
Ejemplo de un oscilador Colpitts transistorizado
Calcule la frecuencia de oscilación del oscilador Colpitts usando transistores con C1 = C2 = 0.001 µF y L = 5 µH. Determine también el valor de la inductancia cuando se duplica la frecuencia de operación.
Para un oscilador Colpitts, se sabe que la frecuencia de funcionamiento es igual a la frecuencia de resonancia de la red de retroalimentación.
f = 1/ (2π√ (LCeq))
Donde, Ceq = C1 C2 / (C1 + C2)
Sin embargo, para los datos dados, C1= C2 = 0,001μF
Por lo tanto, Ceq = (0,001×10-6 × 0,001×10-6) / (C0,001×10-6 + 0,001×10-6)
= 5 × 10-10F
f = 1/ (2π√ (5 × 10-6 × 5 × 10-10))
= 3.183MHz
Nuevo valor de frecuencia, f = 2 × 3,183
= 6.366MHz
Por tanto, la fórmula para la frecuencia de funcionamiento es:
6,366 × 106 = 1/ (2π√ (L × 5 × 10-10))
L = 1,25 µH
Oscilador Colpitts utilizando un amplificador operacional.
En este tipo de circuito, se utiliza un amplificador operacional en lugar de un transistor en la etapa del amplificador. El circuito del tanque sigue siendo el mismo que el circuito anterior. Por lo tanto, el amplificador operacional proporciona la amplificación básica necesaria y la red de retroalimentación es responsable de configurar la frecuencia del oscilador.
La siguiente figura es un diagrama de circuito de un oscilador Colpitts que utiliza un amplificador operacional. En el circuito dado, el amplificador operacional está conectado como un amplificador inversor con mayor ganancia en comparación con el circuito de transistores. La red LC se coloca en la retroalimentación positiva del amplificador operacional.
Cuando se aplica energía al circuito, no hay señal, pero el amplificador operacional amplifica un pequeño voltaje de ruido. Esto hace que ambos condensadores comiencen a cargarse y descargarse.
Una parte de la señal a través del condensador C2 se alimenta a un amplificador inversor. Luego se amplifica y continúa vibrando poderosamente a través de la red. La frecuencia de oscilación de un oscilador Colpitts utilizando un amplificador operacional viene dada por la siguiente fórmula:
f = 1/ (2π√ (LCeq))
Donde, Ceq = C1 C2 / (C1 + C2)
Ejemplos de aplicación de osciladores Colpitts
- El oscilador Colpitts se utiliza para rangos de alta frecuencia y estabilidad de alta frecuencia.
- Resonador de ondas acústicas de superficie (SAW)
- aplicación de microondas
- Sistemas móviles y de comunicación.
- Se utilizan en circuitos caóticos que pueden generar oscilaciones desde el rango de frecuencia de audio hasta la banda óptica. Estas áreas de aplicación incluyen comunicaciones de banda ancha, espectro ensanchado, enmascaramiento de señales, etc.