Oscilatoare in trei puncte cu tranzistoare bipolare

Oscilatoare in trei puncte cu tranzistoare bipolare

Schema generala de principiu a unui oscilator in trei puncte cu tranzistor bipolar este prezentata in figura 5.22. Se observa dispunerea celor trei impedante intre cele trei terminale ale tranzistorului bipolar de unde si denumirea de "oscilator in trei puncte".

Înlocuind tranzistorul cu modelul sau echivalent de semnal mic cu parametri hibrizi obtinem schema din figura 5.23. Pentru a simplifica analiza consideram parametrii h_re si h_oe nuli. De asemenea, consideram, la frecventa de oscilatie, neglijabile efectele capacitive in tranzistor. În aceste conditii, aplicand teorema lui Kirchhoff ochiului general al circuitului, obtinem

(5.71)

Pentru a obtine o solutie nebanala trebuie sa fie indeplinita conditia:

(5.72)

Admitem pentru inceput ca impedantele Z_i, i=1÷3, sunt reactante pure. Înlocuind Z_i = j X_i in relatia (5.72) obtinem:

(5.73)

Egaland cu zero partile reala si imaginara obtinem:

frecventa de oscilatie

(5.74)

Figura 5.22. Schema de principiu a unui oscilator in trei puncte cu TB

Figura 5.23. Schema echivalenta de semnal mic a unui oscilator in trei puncte cu TB

- conditia de amorsare

(5.75)

Din relatia (5.74) observam ca X₁ si X₂ sunt de acelasi semn, in timp ce X₃ este de semn opus primelor doua. Rezulta deci existenta a doua tipuri principale de oscilatoare in trei puncte

a)     oscilatoare Hartley in care X₃ < 0 si X₁ > 0, X₂ > 0;

b)     oscilatoare Colpitts in care X₃ > 0 si X₁ < 0, X₂ < 0.

1. Oscilatoare Hartley cu tranzistoare bipolare

Schema de principiu a unui oscilator Hartley cu tranzistoare bipolare este prezentata in figura 5.24.

Înlocuind in relatiile (5.74) si (5.75) reactantele X , X₂ si X₃ prin expresiile acestora

(5.76)

se obtin expresiile frecventei de oscilatie si conditiei de amorsare

(5.77)

(5.78)

Relatia (5.77) arata ca, intr-o prima aproximatie, frecventa de oscilatie este frecventa de rezonanta a circuitului derivatie la care este cuplat tranzistorul.

Daca consideram inductante neideale (rezistente parazite nenule, si , si cuplaj magnetic nenul ) si conductanta de iesire a tranzistorului bipolar nenula, , se obtine pentru frecventa de oscilatie urmatoarea relatie:

(5.79)

cu . (5.80)

În aceste conditii conditia de amorsare devine:

. (5.81)

Efectul sarcinii (cuplata inductiv sau capacitiv) poate fi luat in considerare prin modificarea parametrilor circuitului acordat. Deoarece, de regula, rezistenta de sarcina are un punct de masa, devine importanta precizarea punctului de masa pentru oscilatorul in sine.

Alimentarea tranzistorului se poate face in varianta serie (curentul principal trece prin circuitul acordat) sau paralel (caz in care se foloseste un soc  de radiofrecventa pentru a evita scurtcircuitarea la masa prin sursa de alimentare, curentul principal netrecand prin circuitul acordat). În figura 5.25 este prezentat un exemplu de oscilator Hartley cu alimentare paralel. Se observa faptul ca prin circuitul acordat nu trece curentul de colector al tranzistorului bipolar. Capacitoarele C_C1 si C_E asigura cuplajul inductantei L₁ intre baza si emitor, capacitoarele C_C2 si C_E asigura cuplajul inductantei L₂ intre colector si emitor, iar capacitoarele C_C1 si C_C2 asigura cuplajul capacitorului C intre colector si baza.

Exemple de oscilatoare Hartley cu alimentare in serie sunt prezentate in figura 5.26. Referitor la schema din figura 5.26.a, in curent alternativ priza bobinei este pusa la masa de sursa de alimentare, iar emitorul tranzistorului bipolar de capacitorul C_E asigurandu-se astfel cuplarea elementelor circuitului acordat la cele trei borne ale tranzistorului. În cazul exemplului din figura 5.26.b cuplajul elementelor circuitului acordat este realizat de capacitoarele C_C2 si C_b.

Figura 5.26. Oscilatoare Hartley cu alimentarea TB in varianta serie: (a) sarcina cuplata inductiv, (b) sarcina cuplata capacitiv

Oscilatoarele Hartley sunt folosite pentru a furniza semnale de frecventa variabila pana la frecvente de 100 MHz. La frecvente mai inalte se manifesta efectul de scurtcircuitare a bobinelor de catre capacitatile parazite din schema. Reglarea frecventei de oscilatie se face prin condensatorul variabil C.

2. Oscilatoare Colpitts cu tranzistoare bipolare

Oscilatoarele Colpitts se folosesc pentru frecvente de lucru mai ridicate. Schema de principiu a acestui tip de oscilator este prezentata in figura 5.27.

Înlocuind in relatiile (5.74) si (5.75) reactantele X , X₂ si X₃ prin expresiile acestora

(5.82)

se obtin expresiile frecventei de oscilatie si conditiei de amorsare

(5.83)

(5.84)

În conditiile in care inductanta este neideala ( si conductanta de iesire a tranzistorului bipolar este nenula , expresiile frecventei de oscilatie si conditiei de amorsare devin:

(5.85)

(5.86)

În oscilatoarele de tip Colpitts frecventa poate fi modificata fie prin utilizarea unei bobine cu inductanta variabila, fie prin modificarea simultana a celor doua condensatoare, C₁ si C₂, astfel incat raportul sa ramana constant. Si in acest caz alimentarea tranzistorului se poate face in varianta serie sau paralel.

În figura 5.28.a este prezentat un exemplu de oscilator Colpitts cu alimentarea tranzistorului bipolar in varianta paralel, iar in figura 5.28.b un exemplu de oscilator Colpitts cu alimentarea tranzistorului bipolar in varianta serie. La frecventa de oscilatie, capacitoarele C_b, C_E si C pot fi considerate scurtcircuite.

Figura 5.28
. Oscilatoare Colpitts cu alimentarea TB in varianta: (a) paralel, (b) serie

La frecvente foarte inalte (sute MHz) ar trebui utilizate capacitati foarte mici, ale caror valori devin comparabile cu cele ale capacitatilor parazite din montaj (in special cu cele ale capacitatilor tranzistorului). Acest dezavantaj este evitat in oscilatoarele de tip Clapp. Oscilatoarele Clapp au la baza schema Colpitts, in care inductanta L a fost inlocuita cu un circuit rezonant serie. Schema de principiu a variantei Clapp este prezentata in figura 5.29. Înlocuind in relatiile (5.74) si (5.75) reactantele X , X₂ si X₃ prin expresiile acestora

(5.87)

se obtin expresiile frecventei de oscilatie si conditiei de amorsare

(5.88)

(5.89)

Frecventa de oscilatie depinde practic numai de elementele circuitului rezonant serie si se poate regla cu usurinta prin intermediul capacitorului C₃. În acest fel, valorile

capacitatilor C₁ si C₂ se pot alege suficient de mari astfel incat efectele capacitive ale tranzistorului sa poata fi ignorate.

Un exemplu de oscilator Clapp cu alimentare paralel este prezentat in figura 5.30. Capacitatile C_b si C_C pot fi considerate scurtcircuite la frecventele de lucru.

Figura 5.30. Oscilator Clapp cu alimentarea TB in varianta paralel