Oscylatory występują w wielu formach. W ramach niniejszego ćwiczenia laboratoryjnego zajmiemy się konfiguracją Clappa, która wykorzystuje dzielnik pojemnościowy z odczepami i szeregowy obwód rezonansowy LC do zapewnienia ścieżki sprzężenia zwrotnego.

Kontekst

Oscylator Clappa jest w rzeczywistości wersją oscylatora Colpittsa dostrojoną szeregowo. W generatorze Clappa sygnał sprzężenia zwrotnego wytwarza pojemnościowy dzielnik napięcia. Dodanie kondensatora C3 połączonego szeregowo z cewką indukcyjną L1 powoduje różnicę między tymi dwoma konstrukcjami i odróżnia generator Clappa od konfiguracji Colpittsa i Hartleya. Podobnie jak w przypadku wszystkich oscylatorów, należy przestrzegać kryteriów Barkhausena, które wymagają całkowitego wzmocnienia wynoszącego 1 i przesunięcia fazowego wynoszącego 0° od wejścia do wyjścia. Częstotliwość drgań można obliczyć w taki sam sposób, jak w przypadku każdego obwodu rezonansowego, stosując równanie 1.

Pomijając pojemność tranzystora między bazą a kolektorem, częstotliwość rezonansową można obliczyć przy użyciu całkowitej pojemności równoważnej (CTOT) podanej w równaniu 2.

Rysunek 1 przedstawia typowy oscylator Clappa. Obwód rezonansowy określający częstotliwość jest utworzony przez L1 i CTOT i służy jako impedancja obciążenia kolektora wzmacniacza wspólnej podstawy Q1. Duża indukcyjność L2 zapewnia ścieżkę prądu stałego dla prądu kolektora, jednocześnie zapewniając wysoką impedancję przy częstotliwości rezonansowej. Dzięki temu wzmacniacz ma wysokie wzmocnienie tylko przy częstotliwości rezonansowej. Ta konfiguracja wykorzystuje wzmacniacz ze wspólną bazą. Stałoprądowy punkt pracy tranzystora Q1 zapewnia dzielnik rezystorowy R1, R2, ale dla prądu zmiennego baza jest dołączona do uziemienia przez kondensator C4. W układzie ze wspólną bazą przebieg napięcia wyjściowego na kolektorze i sygnał wejściowy na emiterze są w fazie. Zapewnia to, że część sygnału wyjściowego z węzła między C1 i C2, sprzężona zwrotnie z dostrojonym obciążeniem kolektora do emitera, zapewnia wymagane sprzężenie zwrotne dodatnie.

Rysunek 1. Podstawowy oscylator Clappa

Połączenie C1 i C2 tworzy również stałą czasową niskiej częstotliwości z rezystorem emiterowym R3, zapewniając średni poziom napięcia prądu stałego proporcjonalny do amplitudy sygnału sprzężenia zwrotnego na emiterze Q1. Zapewnia to automatyczną regulację wzmocnienia wzmacniacza, aby uzyskać wzmocnienie pętli zamkniętej wynoszące 1, wymagane przez oscylator. Rezystor emiterowy R3 nie jest odsprzężony, ponieważ węzeł emiterowy jest używany jako wspólne wejście wzmacniacza bazowego. Baza jest podłączona do uziemienia AC przez C4, co zapewnia bardzo niską reaktancję przy częstotliwości oscylatora.

Symulacje przedlaboratoryjne

Zbuduj schemat symulacyjny oscylatora Clappa, jak pokazano na rysunku 1. Oblicz wartości rezystorów polaryzujących R1 i R2 tak, aby przy rezystorze emiterowym R3 ustawionym na 500 Ω prąd kolektora w tranzystorze NPN Q1 wynosił około 1 mA. Załóż, że obwód jest zasilany z zasilacza 10 V. Należy pamiętać, aby suma R1 i R2 (całkowita rezystancja większa niż 10 kΩ) była jak najwyższa, aby prąd stały w dzielniku rezystancyjnym był jak najniższy. Należy pamiętać, że C4 zapewnia uziemienie prądu przemiennego u podstawy Q1. Ustaw kondensator odsprzęgający podstawy C4 i kondensator sprzęgający prąd przemienny wyjściowy C5 na 0,1 μF. Oblicz wartość L1 tak, aby częstotliwość rezonansowa, przy C1 ustawionym na 1 nF i C2 ustawionym na 1 nF, była bliska 750 kHz. Użyj wysokiej wartości L3, co najmniej 10 mH. Przeprowadź symulację przejściową. Zapisz te wyniki, aby porównać je z pomiarami wykonanymi na rzeczywistym obwodzie i dołączyć do raportu laboratoryjnego.

Materiały

• Moduł aktywnego uczenia się ADALM2000
• Zestaw płytki prototypowej bez lutowania i przewodów połączeniowych
• Tranzystor NPN 2N3904
• Cewka indukcyjna 1 μH
• Cewka indukcyjna 10 μH
• Cewka indukcyjna 100 μH
• Cewka indukcyjna 10 mH (L3)
• Kondensator 1 nF (C1)
• Kondensator 4,7 nF (C2)
• Dwa kondensatory 0,1 μF (oznaczone 104)
• Jeden rezystor 470 Ω (R3)
• Inne rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne według potrzeb

Wskazówki

Zbuduj oscylator Clappa pokazany na rysunku 2, używając płytki prototypowej bez lutowania. Wybierz standardowe wartości z zestawu części dla rezystorów polaryzacyjnych R1 i R2 tak, aby przy rezystorze emiterowym R3 ustawionym na 470 Ω prąd kolektora w tranzystorze NPN Q1 wynosił około 1 mA. Zacznij od C1 = 1 nF i C2 = 4,7 nF. Częstotliwość oscylatora może wynosić od około 500 kHz do 2 MHz, w zależności od wartości wybranych dla C1, C2, C3 i L1. Oblicz wartość dla C3 i wybierz najbliższą wartość z zestawu części. Ten obwód oscylatora może wytwarzać falę sinusoidalną o amplitudzie przekraczającej 10 V p-p przy częstotliwości zbliżonej do wartości wybranej dla L1.

Rysunek 2. Oscylator Clappa

Konfiguracja sprzętu

Schemat obwodu na płytce prototypowej przedstawiono na rysunku 3.

Rysunek 3. Obwód płytki prototypowej oscylatora Clappa

Na rysunku zaznaczone są miejsca podłączenia modułu ADALM2000 AWG, kanałów oscyloskopu i zasilaczy. Należy pamiętać, aby włączyć zasilanie dopiero po dokładnym sprawdzeniu okablowania.

Procedura

Po zakończeniu budowy oscylatora Clappa należy upewnić się, że obwód oscyluje prawidłowo, włączając zasilanie +5 V i –5 V oraz podłączając jeden z kanałów oscyloskopu do zacisku wyjściowego. Może się zdarzyć, że wartość R3 będzie miała kluczowe znaczenie, powodując powstanie dużego, zniekształconego przebiegu lub przerywanego niskiego lub braku sygnału wyjściowego. Aby znaleźć najlepszą wartość R3, można go zastąpić potencjometrem 1 kΩ w celu przeprowadzenia eksperymentów i znalezienia wartości, która zapewnia najlepszy przebieg i niezawodną amplitudę.

Przykładowy wykres wykorzystujący R1 = 10 kΩ, R2 = 1 kΩ, R3 = 100 Ω, L1 = 100 μH, L2 = 10 μH, C1 = 1 nF, C2 = 4,7 nF, C3 = 10 nF przedstawiono na rysunku 4.

Rysunek 4. Wykres oscylatora Clappa

Pytania

1. Jaka jest główna funkcja oscylatora Clappa?
2. Oscylator Clappa jest odmianą którego oscylatora?
3. Który element został dodany do oscylatora Clappa, odróżniając go od oscylatora Colpittsa?
4. Kiedy oscylator Clappa jest preferowany w stosunku do oscylatora Colpittsa?

Odpowiedzi można znaleźć na stronie StudentZone blog.