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、電容三點式振蕩器或電容反饋式振蕩器，是由美國電機工程師艾德溫·考畢茲于1918年發明的一種經典的LC振蕩器設計。這種振蕩器在電子工程領域中具有廣泛的應用，特別是在無線通信、射頻電路等領域。

考畢茲振蕩器的工作原理基于LC諧振電路的正反饋機制。其核心結構包括一個增益器件（如雙極結型晶體管、場效應管、運算放大器或真空管）和一個由兩個電容和一個電感構成的并聯諧振電路。諧振電路作為反饋回路，與增益器件的輸出和輸入相連，形成一個正反饋系統。

具體來說，考畢茲振蕩器的工作原理可以分為以下幾個步驟：

初始激勵：在振蕩器開始工作時，首先需要通過某種方式（如外部激勵信號或電路內部的噪聲信號）給諧振電路提供一個初始的激勵信號。這個信號會被增益器件放大。

放大與反饋：放大后的信號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才能被有效放大和反饋。這種正反饋機制使得信號在電路中不斷循環放大，逐漸形成穩定的振蕩輸出。

頻率穩定：在振蕩器穩定工作后，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定性較高，因此考畢茲振蕩器能夠輸出穩定、精確的振蕩信號。

相位平衡：在考畢茲振蕩器中，反饋信號的相位與輸入信號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穩定地工作。這種相位平衡條件是通過調整諧振電路的參數（如電容和電感的值）來實現的。

二、考畢茲振蕩器的特點

考畢茲振蕩器作為一種經典的LC振蕩器設計，具有以下主要特點：

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

頻率可調范圍寬：通過調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。這種可調性使得考畢茲振蕩器能夠適應不同的應用需求。

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

結構簡單：考畢茲振蕩器的電路結構相對簡單，易于實現和調試。這使得考畢茲振蕩器成為一種廣泛應用的電子元件。

功耗低：考畢茲振蕩器在工作時功耗較低，因此適用于對功耗要求較高的場合。

三、考畢茲振蕩器的應用

考畢茲振蕩器在電子工程領域中具有廣泛的應用。以下是一些典型的應用場景：

無線通信：在無線通信系統中，考畢茲振蕩器被用于產生射頻信號。這些信號經過調制后用于傳輸信息。由于考畢茲振蕩器具有穩定的頻率輸出和低失真特性，因此能夠確保無線通信系統的穩定性和可靠性。

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

音頻處理：在音頻處理領域中，考畢茲振蕩器被用于產生音頻信號或用于音頻信號的調制和解調。其穩定的頻率輸出和低失真特性能夠確保音頻信號的質量。

傳感器：在一些傳感器中，考畢茲振蕩器被用作信號發生器或信號檢測器。這些傳感器通常用于測量物理量（如溫度、壓力等）并將其轉換為電信號進行處理。考畢茲振蕩器的高頻率穩定性和低功耗特性使得其在傳感器領域中具有廣泛的應用前景。

考畢茲振蕩器作為一種經典的LC振蕩器設計，具有穩定性高、頻率可調范圍寬、失真小、結構簡單和功耗低等特點。這些特點使得考畢茲振蕩器在無線通信、射頻電路、音頻處理和傳感器等領域中具有廣泛的應用。隨著電子技術的不斷發展，考畢茲振蕩器的性能和應用將會得到進一步的提升和拓展。

四、考畢茲振蕩器電路圖

考畢茲振蕩器電路圖（1）

振蕩器是一種無需輸入即可產生周期性、重復的振蕩波形的電子設備。它可以是正弦波、三角波或方波。它將單向直流源轉換為交流信號。

根據工作原理，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源元件之間交換能量，充電和放電時間常數決定其頻率。而諧波振蕩器是能量從有源元件流向無源元件的振蕩器，其頻率由反饋路徑決定。

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生振蕩。

考畢茲振蕩器電路僅包含按以下順序排列的幾個組件。電感器與串聯電容器 C1 和 C2（抽頭電容器）并聯。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-發射極）端子，而集電極和基極端子的反饋路徑中具有儲能電路。

當向電路提供電源時，電容器C1和C2都充電，然后通過電感器放電，最初產生振蕩。 C2 處的這些振蕩被施加到晶體管基極-發射極端子，將其放大并在集電極端子處獲得。放大的信號被提供給儲能電路，以滿足兩個電容器和電感器之間能量轉換過程中的損耗。兩個電容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180°相移，因此獲得總360°相移，這提供了正反饋值。最終獲得穩定、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，放大器級使用運算放大器而不是晶體管。儲能電路與上述電路保持相同。因此，運算放大器提供所需的基本放大，而反饋網絡負責設置振蕩器頻率。

下圖所示為使用運放的科爾皮茲振蕩器的電路圖。在給定電路中，運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網絡置于運算放大器的正反饋中

當給電路供電時，沒有信號，但微小的噪聲電壓被運算放大器放大。這使得兩個電容器開始充電和放電。

電容器 C2 兩端的信號部分被饋送到反相放大器。然后它被放大并保持網絡強烈振蕩。使用運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）

為電路中的每個組件提供單獨的電源是很困難的，因為大多數時候，當我們處理不同的電子電路和微處理器或微控制器時，它們需要具有特定頻率和幅度的信號源，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。振蕩器是一種無需任何輸入即可產生連續、重復、交替波形的電路。振蕩器將來自直流源的單向電流轉換為具有所需頻率的交流波形，頻率由其電路組件決定。

這里簡單的科爾皮茲振蕩器電路被設計為產生恒定的正弦輸出。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能電路、放大器和反饋路徑。該電路在放大器和儲能電路之間保持正反饋，并在輸出端提供無阻尼振蕩。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，該分壓器由兩個串聯在電感器上的電容器組成。

通常，具有儲能電路的科爾皮茲振蕩器是與抽頭電容器 C1 和 C2 的串聯組合并聯的電感器 L。電路中的其他組件，晶體管 BC547 充當共發射極放大器，使用分壓器網絡進行偏置。 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能電路。此外，電容器C3和C5是輸入和輸出去耦電容器，而發射極電容器C4是用于旁路放大的AC信號的旁路電容器。

當電源接通時，晶體管開始導通，從而對電容器 C1 和 C2 進行充電。在獲得最大可行電荷后，這些電容器開始通過線圈 L 放電，從而產生初始振蕩。接下來，電感器開始放電，從而再次對電容器充電。同樣，循環繼續，這會引起儲能電路中的振蕩。放大器的輸出出現在 C1 兩端，因此與儲能電路的電壓同相。因此，該放大的信號被施加到儲能電路，以滿足電容器 C1 和 C2 與電感 L 之間能量轉換期間的損耗。 ，反饋到晶體管的電壓是通過電容器 C2 獲得的，這意味著反饋信號與晶體管電壓異相 180哦。這是因為電容器 C1 和 C2 兩端產生的電壓極性相反，因為它們的連接點接地。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 180° 相移。因此，總共會出現 360° 的相移，從而提供正反饋。因此，會產生連續的無阻尼振蕩，這些振蕩器可以通過改變其電感或電容來調諧。然而，L 的變化不會產生平滑的變化，它們通常通過改變電容來調節。

考畢茲振蕩器電路公式

其中：

L = L1 的電感值。

C = 串聯電容器 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源，我們無法為電路中的各個元件提供多個電源，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。這里簡單的考畢茲振蕩器電路被設計為產生恒定的正弦輸出。

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

考畢茲振蕩器電路

在 Colpitts 振蕩器中，儲能電路包含兩個串聯連接的電容器 C1 和 C2，然后電感器 L1 與抽頭電容器并聯。晶體管 BC547 充當共發射極放大器，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能電路。

當電源接通時，電容器 C1 和 C2 充電。然后這些電容器通過線圈L放電，從而產生初始振蕩。 C2 上的振蕩施加到晶體管的基極發射極結。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能電路，以滿足電容器C1和C2以及電感L之間的能量轉換過程中的損耗。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 180° 相移。因此，總共會出現 360° 的相移，從而提供正反饋。因此，會產生連續的無阻尼振蕩。

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的串聯組合并聯（如紅色外殼所示）。

電路中的其他元件與共發射極CE的情況相同，采用分壓網絡偏置，即R C為集電極電阻，R E為發射極電阻，用于穩定電路中，電阻R 1和R 2構成分壓偏置網絡。

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

這里，當電源接通時，晶體管開始導通，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，存儲在電容器中的靜電能轉換為磁通量，磁通量以電磁能的形式存儲在電感器中。

接下來，電感器開始放電，從而再次對電容器充電。同樣，循環繼續，這會引起儲能電路中的振蕩。

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

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

這是因為電容器C 1和C 2兩端產生的電壓極性相反，因為它們的連接點接地。

此外，該信號由晶體管提供 180 °的附加相移，從而導致環路周圍 360 °的凈相移，滿足巴克豪森原理的相移標準。