學子專區- ADALM2000實驗：Colpitts振盪器

目標

振盪器有多種形式。本次實驗活動將研究Colpitts配置，該配置使用具有分接頭的電容分壓器來提供回饋路徑。

背景知識

Colpitts振盪器特別擅長在30 kHz至30 MHz的RF範圍內產生低失真的正弦波訊號。Colpitts配置的標誌性特點是其使用具有分接頭的電容分壓器（圖1中的C1和C2）。振盪頻率可以像任何並聯諧振電路一樣，使用公式1來計算。

需合理選擇兩個串聯電容的值，使其串聯總電容(C_TOT)滿足公式2的計算結果。

圖1為典型的Colpitts振盪器。決定頻率的並聯諧振調諧電路由C1、C2和L1組成，用於共基極放大器Q1的集電極負載阻抗。這使得放大器僅在諧振頻率下具有高增益。Colpitts振盪器的這種配置使用了共基極放大器。Q1的基極透過電阻分壓器R1和R2偏置到適當的直流位準，但透過C3直接連到交流接地。在共基極模式下，集電極處的輸出電壓波形與發射極處的輸入訊號同相。這確保了C1和C2之間節點的輸出訊號的一部分從調諧集電極負載回饋到發射極，進而提供所需的正回饋。請注意，此回饋僅為交流回饋，集電極與發射極之間不存在直流路徑。

C1和C2的組合電容還與發射極電阻R3共同作用產生一個低頻時間常數，進而提供與Q1發射極處的回饋訊號幅度成比例的平均直流電壓位準。這樣就能自動控制放大器的增益，進而去調節振盪器的閉迴路增益。與所有振盪器一樣，必須遵循Barkhausen準則，即總增益為1，且從輸入到輸出的相移為0度。因為發射極節點用於共基極放大器的輸入，所以發射極電阻R3未去耦。基極透過C3連接到交流地，在振盪器頻率下其電抗非常低。

實驗前模擬

首先可建構圖1所示Colpitts振盪器的模擬原理圖。之後計算偏置電阻R1和R2的值，確保當發射極電阻R3設定為1 kΩ時，NPN電晶體Q1中的集電極電流約為1 mA。假設電路採用10 V電源供電。確保R1和R2之和（總電阻大於10 kΩ）在合理範圍內達到最高值，進而盡可能降低電阻分壓器中的靜態電流。注意，C3在Q1的基極處提供一個交流地。將基極去耦電容C3和輸出交流耦合電容C4設定為0.1 μF。接著，計算C1和C2的值，確保當L1設定為100 μH時，諧振頻率接近500 kHz。執行瞬態模擬。最後保存這些結果，將它們與實際電路的測量結果進行比較並將比較結果隨附在實驗報告中。

材料

• ADALM2000 主動學習模組
• 無焊試驗板和跳線套件
• 一個2N3904 NPN電晶體
• 兩個10 µH電感
• 兩個100 µH電感
• 一個1 nF電容（標記為102）
• 一個4.7 nF電容（標記為472）
• 兩個0.1 µF電容（標記為104）
• 一個1 kΩ電阻
• 所需的其他電阻、電容和電感

說明

使用無焊試驗板建構圖2所示的Colpitts振盪器。從元件套件中選擇偏置電阻R1和R2的標準值，使得發射極電阻R3設定為1 kΩ時，NPN電晶體Q1中的集電極電流約為1 mA。根據所選擇的C1、C2和L1值，振盪器的頻率可以在大約500 kHz到2 MHz的範圍內變化。首先設定L1 = 100 μH、C1 = 4.7 nF且C2 = 1 nF。此振盪器電路可產生超過10 V p-p的正弦波輸出，其頻率近似於由所選L1值設定的頻率。

硬體設定

試驗板電路參見圖3。

圖2中的方塊表示連接ADALM2000模組AWG、示波器通道和電源的位置。確保在反覆檢查接線之後，再打開電源。

程式步驟

完成Colpitts振盪器的建構之後，檢查電路是否正確振盪，先打開+5 V和-5 V兩個電源，並將其中一個示波器通道連接到輸出端。實驗可能會發現，R3的值相當關鍵，選擇不當可能會導致電路產生較大且失真的波形，或者產生間歇性低輸出，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電位計取代其進行試驗，以尋找波形更優、幅度更可靠的電阻值。R3的最優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時的波形示例。

問題

1. Colpitts振盪器的主要功能是什麼？
2. 哪些實際應用是使用了Colpitts振盪器？

答案請參閱 學子專區部落格。