一、考畢茲振蕩器的工作原理

考畢茲振蕩器，又稱為Colpitts振蕩器、電容三點(diǎn)式振蕩器或電容反饋式振蕩器，是由美國(guó)電機(jī)工程師艾德溫·考畢茲于1918年發(fā)明的一種經(jīng)典的LC振蕩器設(shè)計(jì)。這種振蕩器在電子工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，特別是在無(wú)線通信、射頻電路等領(lǐng)域。

考畢茲振蕩器的工作原理基于LC諧振電路的正反饋機(jī)制。其核心結(jié)構(gòu)包括一個(gè)增益器件（如雙極結(jié)型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、運(yùn)算放大器或真空管）和一個(gè)由兩個(gè)電容和一個(gè)電感構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路。諧振電路作為反饋回路，與增益器件的輸出和輸入相連，形成一個(gè)正反饋系統(tǒng)。

具體來說，考畢茲振蕩器的工作原理可以分為以下幾個(gè)步驟：

初始激勵(lì)：在振蕩器開始工作時(shí)，首先需要通過某種方式（如外部激勵(lì)信號(hào)或電路內(nèi)部的噪聲信號(hào)）給諧振電路提供一個(gè)初始的激勵(lì)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)會(huì)被增益器件放大。

放大與反饋：放大后的信號(hào)通過諧振電路反饋到增益器件的輸入端。由于諧振電路具有選頻特性，只有與諧振頻率相近的信號(hào)才能被有效放大和反饋。這種正反饋機(jī)制使得信號(hào)在電路中不斷循環(huán)放大，逐漸形成穩(wěn)定的振蕩輸出。

頻率穩(wěn)定：在振蕩器穩(wěn)定工作后，諧振電路的諧振頻率將決定振蕩器的輸出頻率。由于諧振電路的頻率穩(wěn)定性較高，因此考畢茲振蕩器能夠輸出穩(wěn)定、精確的振蕩信號(hào)。

相位平衡：在考畢茲振蕩器中，反饋信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的相位必須滿足一定的條件（即相位平衡條件），才能確保振蕩器能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作。這種相位平衡條件是通過調(diào)整諧振電路的參數(shù)（如電容和電感的值）來實(shí)現(xiàn)的。

二、考畢茲振蕩器的特點(diǎn)

考畢茲振蕩器作為一種經(jīng)典的LC振蕩器設(shè)計(jì)，具有以下主要特點(diǎn)：

穩(wěn)定性高：由于考畢茲振蕩器采用了并聯(lián)諧振電路作為反饋回路，因此具有較高的頻率穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性使得考畢茲振蕩器在需要精確控制頻率的場(chǎng)合中具有廣泛的應(yīng)用。

頻率可調(diào)范圍寬：通過調(diào)整諧振電路中的電容和電感的值，可以方便地改變考畢茲振蕩器的輸出頻率。這種可調(diào)性使得考畢茲振蕩器能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

失真小：由于考畢茲振蕩器采用了正反饋機(jī)制，因此其輸出信號(hào)的失真較小。這種低失真特性使得考畢茲振蕩器在音頻處理、通信等領(lǐng)域中具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：考畢茲振蕩器的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。這使得考畢茲振蕩器成為一種廣泛應(yīng)用的電子元件。

功耗低：考畢茲振蕩器在工作時(shí)功耗較低，因此適用于對(duì)功耗要求較高的場(chǎng)合。

三、考畢茲振蕩器的應(yīng)用

考畢茲振蕩器在電子工程領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。以下是一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

無(wú)線通信：在無(wú)線通信系統(tǒng)中，考畢茲振蕩器被用于產(chǎn)生射頻信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后用于傳輸信息。由于考畢茲振蕩器具有穩(wěn)定的頻率輸出和低失真特性，因此能夠確保無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

射頻電路：在射頻電路中，考畢茲振蕩器被用作信號(hào)源或本地振蕩器。這些電路通常用于接收和發(fā)射射頻信號(hào)。考畢茲振蕩器的高頻率穩(wěn)定性和低失真特性使得其在射頻電路中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

音頻處理：在音頻處理領(lǐng)域中，考畢茲振蕩器被用于產(chǎn)生音頻信號(hào)或用于音頻信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)。其穩(wěn)定的頻率輸出和低失真特性能夠確保音頻信號(hào)的質(zhì)量。

傳感器：在一些傳感器中，考畢茲振蕩器被用作信號(hào)發(fā)生器或信號(hào)檢測(cè)器。這些傳感器通常用于測(cè)量物理量（如溫度、壓力等）并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理。考畢茲振蕩器的高頻率穩(wěn)定性和低功耗特性使得其在傳感器領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

考畢茲振蕩器作為一種經(jīng)典的LC振蕩器設(shè)計(jì)，具有穩(wěn)定性高、頻率可調(diào)范圍寬、失真小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和功耗低等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得考畢茲振蕩器在無(wú)線通信、射頻電路、音頻處理和傳感器等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，考畢茲振蕩器的性能和應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步的提升和拓展。

四、考畢茲振蕩器電路圖

考畢茲振蕩器電路圖（1）

振蕩器是一種無(wú)需輸入即可產(chǎn)生周期性、重復(fù)的振蕩波形的電子設(shè)備。它可以是正弦波、三角波或方波。它將單向直流源轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)。

根據(jù)工作原理，振蕩器主要分為張弛/非線性振蕩器或諧振子。張弛振蕩器在有源元件和無(wú)源元件之間交換能量，充電和放電時(shí)間常數(shù)決定其頻率。而諧波振蕩器是能量從有源元件流向無(wú)源元件的振蕩器，其頻率由反饋路徑?jīng)Q定。

考畢茲振蕩器電路是一種 LC 電路，由電感器和電容器組合而成，可在定義的頻率下產(chǎn)生振蕩。

考畢茲振蕩器電路僅包含按以下順序排列的幾個(gè)組件。電感器與串聯(lián)電容器 C1 和 C2（抽頭電容器）并聯(lián)。晶體管 BC547 用作射極跟隨器，其中 R1 和 R2 電阻器偏置 CB（集電極-基極）端子和 BE（基極-發(fā)射極）端子，而集電極和基極端子的反饋路徑中具有儲(chǔ)能電路。

當(dāng)向電路提供電源時(shí)，電容器C1和C2都充電，然后通過電感器放電，最初產(chǎn)生振蕩。 C2 處的這些振蕩被施加到晶體管基極-發(fā)射極端子，將其放大并在集電極端子處獲得。放大的信號(hào)被提供給儲(chǔ)能電路，以滿足兩個(gè)電容器和電感器之間能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗。兩個(gè)電容C1和C2的值決定反饋量。獲得360°的總相移，晶體管提供180°相移，而電容器反饋提供另一個(gè)180°相移，因此獲得總360°相移，這提供了正反饋值。最終獲得穩(wěn)定、抑制的振蕩。

考畢茲振蕩器電路公式：

其中L是L1的電感，C是C1和C2串聯(lián)的總電容。

考畢茲振蕩器電路圖（2）

在這種類型的電路中，放大器級(jí)使用運(yùn)算放大器而不是晶體管。儲(chǔ)能電路與上述電路保持相同。因此，運(yùn)算放大器提供所需的基本放大，而反饋網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)設(shè)置振蕩器頻率。

下圖所示為使用運(yùn)放的科爾皮茲振蕩器的電路圖。在給定電路中，運(yùn)算放大器連接為反相放大器，與晶體管電路相比具有高增益。 LC網(wǎng)絡(luò)置于運(yùn)算放大器的正反饋中

當(dāng)給電路供電時(shí)，沒有信號(hào)，但微小的噪聲電壓被運(yùn)算放大器放大。這使得兩個(gè)電容器開始充電和放電。

電容器 C2 兩端的信號(hào)部分被饋送到反相放大器。然后它被放大并保持網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)烈振蕩。使用運(yùn)算放大器的科爾皮茲振蕩器的振蕩頻率由下式給出

考畢茲振蕩器電路圖（3）

為電路中的每個(gè)組件提供單獨(dú)的電源是很困難的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)時(shí)候，當(dāng)我們處理不同的電子電路和微處理器或微控制器時(shí)，它們需要具有特定頻率和幅度的信號(hào)源，因此我們使用振蕩器電路向不同的電路元件提供不同電平的信號(hào)。振蕩器是一種無(wú)需任何輸入即可產(chǎn)生連續(xù)、重復(fù)、交替波形的電路。振蕩器將來自直流源的單向電流轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流波形，頻率由其電路組件決定。

這里簡(jiǎn)單的科爾皮茲振蕩器電路被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生恒定的正弦輸出。考畢茲振蕩器是 LC 振蕩器的一種。與其他振蕩器電路一樣，考畢茲振蕩器也具有儲(chǔ)能電路、放大器和反饋路徑。該電路在放大器和儲(chǔ)能電路之間保持正反饋，并在輸出端提供無(wú)阻尼振蕩。科爾皮茲振蕩器的顯著特征是有源器件的反饋取自分壓器，該分壓器由兩個(gè)串聯(lián)在電感器上的電容器組成。

通常，具有儲(chǔ)能電路的科爾皮茲振蕩器是與抽頭電容器 C1 和 C2 的串聯(lián)組合并聯(lián)的電感器 L。電路中的其他組件，晶體管 BC547 充當(dāng)共發(fā)射極放大器，使用分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行偏置。 R1 和 R2 電阻器為 CB 端子和 BE 端子提供偏置。集電極和基極端子之間的反饋路徑在其路徑中具有儲(chǔ)能電路。此外，電容器C3和C5是輸入和輸出去耦電容器，而發(fā)射極電容器C4是用于旁路放大的AC信號(hào)的旁路電容器。

當(dāng)電源接通時(shí)，晶體管開始導(dǎo)通，從而對(duì)電容器 C1 和 C2 進(jìn)行充電。在獲得最大可行電荷后，這些電容器開始通過線圈 L 放電，從而產(chǎn)生初始振蕩。接下來，電感器開始放電，從而再次對(duì)電容器充電。同樣，循環(huán)繼續(xù)，這會(huì)引起儲(chǔ)能電路中的振蕩。放大器的輸出出現(xiàn)在 C1 兩端，因此與儲(chǔ)能電路的電壓同相。因此，該放大的信號(hào)被施加到儲(chǔ)能電路，以滿足電容器 C1 和 C2 與電感 L 之間能量轉(zhuǎn)換期間的損耗。 ，反饋到晶體管的電壓是通過電容器 C2 獲得的，這意味著反饋信號(hào)與晶體管電壓異相 180哦。這是因?yàn)殡娙萜?C1 和 C2 兩端產(chǎn)生的電壓極性相反，因?yàn)樗鼈兊倪B接點(diǎn)接地。反饋量取決于電容 C1 和 C2 的值。 晶體管放大器提供 180° 相移，電容器反饋提供另一個(gè) 180° 相移。因此，總共會(huì)出現(xiàn) 360° 的相移，從而提供正反饋。因此，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的無(wú)阻尼振蕩，這些振蕩器可以通過改變其電感或電容來調(diào)諧。然而，L 的變化不會(huì)產(chǎn)生平滑的變化，它們通常通過改變電容來調(diào)節(jié)。

考畢茲振蕩器電路公式

其中：

L = L1 的電感值。

C = 串聯(lián)電容器 C1 和 C2 的總值。

考畢茲振蕩器電路圖（4）

許多電子電路和微處理器或微控制器需要具有特定頻率和幅度的信號(hào)源，我們無(wú)法為電路中的各個(gè)元件提供多個(gè)電源，因此我們使用振蕩器電路為不同的電路元件提供不同電平的信號(hào)。這里簡(jiǎn)單的考畢茲振蕩器電路被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生恒定的正弦輸出。

與其他振蕩器電路一樣，考畢茲振蕩器也具有儲(chǔ)能電路、放大器和反饋路徑。該電路在放大器和儲(chǔ)能電路之間保持正反饋，并在輸出端提供無(wú)阻尼振蕩。

考畢茲振蕩器電路

在 Colpitts 振蕩器中，儲(chǔ)能電路包含兩個(gè)串聯(lián)連接的電容器 C1 和 C2，然后電感器 L1 與抽頭電容器并聯(lián)。晶體管 BC547 充當(dāng)共發(fā)射極放大器，R1、R2 電阻器為 CB 端子和 BE 端子提供偏置。集電極和基極之間的反饋路徑在其路徑中具有儲(chǔ)能電路。

當(dāng)電源接通時(shí)，電容器 C1 和 C2 充電。然后這些電容器通過線圈L放電，從而產(chǎn)生初始振蕩。 C2 上的振蕩施加到晶體管的基極發(fā)射極結(jié)。該振蕩被放大并在集電極電路中可用。來自集電極的放大功率施加到儲(chǔ)能電路，以滿足電容器C1和C2以及電感L之間的能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗。反饋量取決于電容C1和C2的值。晶體管放大器提供 180° 相移，電容器反饋提供另一個(gè) 180° 相移。因此，總共會(huì)出現(xiàn) 360° 的相移，從而提供正反饋。因此，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的無(wú)阻尼振蕩。

考畢茲振蕩器電路公式

其中，

L是L1的電感值。

C是串聯(lián)電容器C1和C2的總值。

考畢茲振蕩器電路圖（5）

圖 1 顯示了帶有儲(chǔ)能電路的典型科爾皮茲振蕩器。電感器L與電容器C 1和C 2的串聯(lián)組合并聯(lián)（如紅色外殼所示）。

電路中的其他元件與共發(fā)射極CE的情況相同，采用分壓網(wǎng)絡(luò)偏置，即R C為集電極電阻，R E為發(fā)射極電阻，用于穩(wěn)定電路中，電阻R 1和R 2構(gòu)成分壓偏置網(wǎng)絡(luò)。

此外，電容器C i和C o是輸入和輸出去耦電容器，而發(fā)射極電容器C E是用于旁路放大的AC信號(hào)的旁路電容器。

這里，當(dāng)電源接通時(shí)，晶體管開始導(dǎo)通，集電極電流I C增加，由此電容器C 1和C 2被充電。在獲得可行的最大電荷后，它們開始通過電感器 L 放電。

在此過程中，存儲(chǔ)在電容器中的靜電能轉(zhuǎn)換為磁通量，磁通量以電磁能的形式存儲(chǔ)在電感器中。

接下來，電感器開始放電，從而再次對(duì)電容器充電。同樣，循環(huán)繼續(xù)，這會(huì)引起儲(chǔ)能電路中的振蕩。

此外，該圖還顯示放大器的輸出出現(xiàn)在 C 1兩端，因此與儲(chǔ)能電路的電壓同相，并通過重新供電來彌補(bǔ)能量損失。

另一方面，反饋到晶體管的電壓是通過電容器C 2獲得的，這意味著反饋信號(hào)與晶體管上的電壓異相180 °。

這是因?yàn)殡娙萜鰿 1和C 2兩端產(chǎn)生的電壓極性相反，因?yàn)樗鼈兊倪B接點(diǎn)接地。

此外，該信號(hào)由晶體管提供 180 °的附加相移，從而導(dǎo)致環(huán)路周圍 360 °的凈相移，滿足巴克豪森原理的相移標(biāo)準(zhǔn)。