Colpitts-Oszillator
Sehr viele Oszillatoren und Sinusgeneratoren verwenden Schaltungen mit LC-Schwingkreisen. Nur einige wenige RC-Oszillatoren wie der RC-Phasenschiebergenerator, der Wien-Robinson-Generator und bestimmte Quarzoszillatoren kommen ohne zusätzliche Induktivitäten aus. Eine Schwingkreisschaltung wird zum Oszillator, wenn die im Kreis auftretenden Verluste durch einen Verstärker so ausgeglichen werden, dass die Ring- oder Schleifenverstärkung den Wert 1 hat. Die Phasendrehung über alles muss bei der Resonanzfrequenz 0° oder 360° betragen.
Ein Teil der Schwingkreisspannung muss phasenrichtig an den Verstärker zurückgekoppelt werden. Wird dazu im Schwingkreis die Kapazität auf zwei Kondensatoren aufgeteilt, erhält man die sogenannte kapazitive Dreipunktschaltung. Ist der Teilerpunkt auf Masse bezogen, dann sind die beiden Teilspannungen an den Kondensatoren zueinander gegenphasig. Das folgende Bild zeigt die Signalverhältnisse am Schwingkreis mit kapazitiver Dreipunktschaltung. Ein Oszillator mit kapazitiver Dreipunktschaltung wird nach seinem Entwickler Edwin Henry Colpitts als Colpitts-Oszillator bezeichnet und kann mit einem Transistorverstärker in Emitter-, Basis- und Kollektorschaltung betrieben werden.
Colpitts-Oszillator in Emitterschaltung
Die Emitterschaltung ist gekennzeichnet durch eine Phasendrehung von 180° zwischen dem Ausgangs- und Steuersignal. Sie wird von der kapazitiven Dreipunktschaltung mit Massebezug zwischen beiden Kondensatoren zu 360° ergänzt. Der Schwingkreis liegt im Kollektorkreis und die Schaltung erfüllt die Bedingung der Mitkopplung, um als Oszillator zu wirken. Die Gleichspannung gelangt über eine Drosselspule ausreichend hoher Induktivität an den Verstärker, die den Massebezug des Signals zur Betriebsspannung verhindert. Damit der Schwingkreis als Arbeitswiderstand eine hohe Güte behält, müsste ein ohmscher Koppelwiderstand einen großen Wert haben, der sich negativ auf den statischen Arbeitspunkt auswirkt. Die Drosselspule mit einem im Vergleich zur Schwingkreisinduktivität großem Wert entkoppelt das Signal aufgrund ihres sehr hohen Wechselstromwiderstands und hat auf die Gleichspannung fast keinen Einfluss. Auswirkungen der Drosselinduktivität auf die Resonanzfrequenz sind dann ebenfalls vernachlässigbar. Zur Berechnung der Resonanz liegen beide Induktivitäten parallel, wobei der kleinere Induktivitätswert die Frequenz bestimmt.
Die phasengedrehte Teilspannung des Schwingkreises gelangt über einen Koppelkondensator zurück an die Basis. Er trennt die Basis galvanisch vom Schwingkreis und verhindert eine niederohmige Verbindung zur Betriebsspannung. Die Arbeitspunkteinstellung erfolgt mittels Basisspannungsteiler oder nur mit einem Basisvorwiderstand. Der Emitterwiderstand stabilisiert den Arbeitspunkt und bestimmt die Signalverstärkung durch Stromgegenkopplung. Das Ausgangssignal kann direkt am Schwingkreis oder mittels transformatorischer Kopplung an der Schwingkreisspule abgenommen werden. Ein Ausgangstransformator ermöglicht eine gute Impedanzanpassung an die Folgestufe und vermindert Güteverluste, die bei einer Belastung des Schwingkreises entstehen. Die Schaltung funktioniert unter realen Laborbedingungen und mit einer Simulationssoftware problemlos. Sie schwingt nach dem Simulationsstart bei Verwendung idealer Bauteile sicher an und bleibt ohne Übersteuerung stabil.
Colpitts-Oszillator in Basisschaltung
In der Basisschaltung entfällt die Drosselspule und der Schwingkreis liegt direkt an der Betriebsspannung und auf das Signal bezogen an Masse. Ein Kondensator nach Masse wirkt unterstützend. Eine Phasendrehung ist nicht notwendig, da die Basisschaltung ohne Phasendrehung verstärkt. Das Rückkoppelsignal zum Emitter ist durch die Schwingkreiskondensatoren galvanisch von der Betriebsspannung entkoppelt. Die Basis liegt über einen Kondensator hoher Kapazität für das Signal an Masse. Der Arbeitspunkt wird mit einem Basisvorwiderstand oder einem Basisspannungsteiler und dem Emitterwiderstand eingestellt. Die Funktion dieser Schaltung wurde im Simulationsprogramm überprüft. Das Anschwingen erfolgte kurz nach dem Simulationsstart und danach blieb die Oszillatorfrequenz ohne Übersteuerung stabil.
Bei Oszillatoren sollte anstelle der Emitterschaltung vorrangig die Basisschaltung verwendet werden. Hier wird das zurückgekoppelte hochfrequente Signal im Eingangskreis durch den Basiskondensator nach Masse geleitet. Liegt der Oszillator im Abstimmkreis der Antenne eines Zwischenfrequenzempfängers, so kann bei der Basisgrundschaltung die Oszillatorfrequenz nicht in den Antennenkreis gelangen und von dort abgestrahlt werden.
Colpitts-Oszillator in Kollektorschaltung
Ein Colpitts-Oszillator kann in einer Kollektorschaltung betrieben werden, ist aber nur sehr selten zu finden. Die Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung beträgt fast 1 und es besteht keine Phasendrehung. Damit trotz der immer bestehenden Verluste im Schwingkreis die Oszillatorbedingung mit k·V0 = 1 erfüllt ist, nutzt man an den aufgeteilten Schwingkreiskapazitäten eine Art Spannungstransformation aus. Die gesamte Schwingkreisspannung wird über eine ausreichend große Koppelkapazität an die Basis zurückgeführt. Der kleinere Anteil steht am Emitterwiderstand als Ausgangssignal zur Verfügung. Auch diese Schaltung funktionierte mit der berechneten Dimensionierung problemlos. Sie schwingt nach dem Simulationsstart sicher an und das Ausgangssignal blieb stabil und weitgehend unverzerrt.
Colpitts-Oszillatoren eignen sich sehr gut für hohe Festfrequenzen. Den Oszillator in den dargestellten Schaltungen abstimmbar zu machen ist problematisch. Wird mit einem Drehkondensator die Frequenz variiert, so ändert sich der Koppelfaktor und damit die Ringverstärkung. Durchstimmbare Colpitts-Oszillatoren für sehr hohe Frequenzen im UKW- und VHF-Bereich zwischen (80 ... 300) MHz sind mit einem Drehkondensator realisierbar. Auf den ersten Blick sind diese Schaltungen aber nicht sogleich als kapazitive Dreipunktschaltungen zu erkennen. Sie nutzen die einige Picofarad großen internen Schaltkapazitäten des Transistors aus.
In früheren Zeiten gab es in Autoradios die Variometer-Abstimmung. Es handelt sich um eine Spulenabstimmung, bei der durch die Lage eines Ferritkerns oder einer zweiten inneren Spule die Induktivität variiert wurde. Mit ihr wird auch der Colpitts-Oszillator problemlos durchstimmbar. Für mechanisch beanspruchte Schwingkreise eignet sich die Abstimmung mit einem Plattendrehkondensator nicht. Die Vibrationen lassen weder konstante Kapazitätswerte noch eine ordentliche Abstimmung auf einen Sender zu. Wird dagegen ein Ferritkern am gespannten Seilzug längs durch den Spulenkörper bewegt, so ändert sich die Induktivität aber dazu senkrechte Vibrationen bleiben wirkungslos.