Extraño comportamiento de un Oscilador Colpitts

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Construí este esquema a partir de este enlace (VCO de colpitts sintonizados en paralelo), y lo cambié un poco para mis frecuencias/componentes disponibles. Reemplacé temporalmente el varactor con una tapa de ajuste para fines de ajuste y para verificar si el esquema realmente funciona. Tuve que aumentar drásticamente el valor de C3, ya que de lo contrario las oscilaciones no comenzarían en absoluto.

Los valores del circuito del tanque en este momento son tales que debería producir frecuencias alrededor de los 30 MHz. (Si un recortador está a 20 pF, la capacitancia combinada es de 22 pf y la frecuencia es de 33,9 MHz, según esta calculadora). Sin embargo, cuando se prueba con el osciloscopio, la frecuencia de salida siempre está cerca de los 12 MHz (de 11,5 a 13 MHz). Digo siempre porque la frecuencia no cambia mucho ni cuando cambio la capacitancia del trimmer, ni cuando sueldo capacitores de diferente valor por completo, cosa que hice varias veces.

No estoy muy familiarizado con los circuitos de alta frecuencia y me parece que algo en el circuito actúa como una capacitancia en un circuito tanque que no puedo cambiar. Cambiar el valor de C3 no cambia la frecuencia. Sin embargo, cambiar C1, C2 tampoco hace que en algún momento las oscilaciones simplemente se detengan. ¿Podría la capacitancia interna del transistor causar este comportamiento?

Por cierto, la onda sinusoidal en sí no es muy limpia, está un poco inclinada hacia la derecha y parece que la parte inferior está cortada al final.

¿Alguien puede explicarme qué podría causar este comportamiento extraño y qué puedo hacer para resolver el problema?

"un poco inclinado hacia el" ¿qué? Una imagen no estaría tan mal... además, ¿dónde se prueba y con qué impedancia de entrada? Las mediciones siempre influyen en el DUT, ¿podría ser un problema? ¿Intentaste una simulación? ¿Cómo se comporta eso?
Editado y agregado una descripción, lo siento, no puedo tomar una foto ahora. Estoy sondeando la salida de la tapa C7. La sonda es de 1 MOhm con capacitancia de 18pF. ¿Influiría la sonda en la frecuencia tan dramáticamente, si es que lo hace?
No soy bueno en estas matemáticas, pero esperaría ~ 15 MHz de ese, tal vez puedas decirnos cómo obtuviste ese número, así que si hay un error en el cálculo, alguien puede señalarlo.
Editado el cálculo en. De todos modos, lo interesante de este comportamiento es que incluso si cambié la capacitancia del supuesto circuito del tanque dramáticamente (200 pF en total), la frecuencia no cambió mucho.
Supongo que en realidad hay dos tanques en este circuito L1, C1, C2 y el otro tanque: todos los componentes que quedan de C3. Ambos tanques deben tener aproximadamente la misma frecuencia para que puedan interactuar. Es muy probable que ahora tenga esos tanques en frecuencias que están demasiado separadas para que ocurra la interacción.
Hm.. El componente L para el tanque a la derecha sería L1, ¿verdad? Cambié el valor a 50nH solo para comprobar si cambiaría algo, pero no fue así, la frecuencia se mantuvo igual. ¿Podría esperarse este comportamiento si el segundo tanque fuera realmente una fuente de diferentes oscilaciones de frecuencia?
¿O tal vez la inductancia total en el tanque estaría influenciada por otros factores, como parásitos?
L1 no debería formar un tanque como se dibuja ... R1 debería matar absolutamente a la Q (pero calcule la Q de R1 / L1-C2 para estar seguro). Sin embargo, es posible que se acople a L2 a menos que uno de ellos sea evaluado o haya tenido mucho cuidado en su orientación mutua. Has desacoplado el suministro de 5V, ¿verdad? Ahora, ¿qué era C3 originalmente? 10pF más o menos? Con su valor actual, C2 está efectivamente en paralelo con la capacidad de sintonización de 22pFish (C4,6,8), dando 122pF y una frecuencia de resonancia de aproximadamente 14MHz. Agregue capacitancia parásita y lo que está viendo es plausible.
La capacitancia de la sonda de una sonda de 1 Mohm puede ser solo de 18 pf, pero también tiene una capacitancia de cable (hasta 100 pf). Así que sí, la sonda de su osciloscopio influye mucho en los resultados. Utilice siempre una sonda de 10 Mohm para estos circuitos de alta frecuencia.
¿Qué frecuencia, amplitud, tolerancia, distorsión e impedancia de carga necesita?
@BrianDrummond Sí, la fuente de alimentación está desacoplada con un límite de 10 uF. C3 era originalmente de 1,5 pF. Probé todo hasta 1 nF y las oscilaciones simplemente no comenzaron. Así que di el paso dramático y puse 1 uF y funcionó. ¿Qué puedo hacer para producir oscilaciones pero cortocircuitar la señal entre C3 y C2?
@TonyStewart.EEsince'75 27 Mhz con, digamos, 2Vpp y 50 ohmios de impedancia de carga. No estoy seguro acerca de la tolerancia y la distorsión. Lanzaré un filtro probablemente ya que estoy planeando poner la señal al aire.
@BrianDrummond, tu comentario sobre el tanque lamentablemente no es correcto. La resistencia dominante que forma el "cambio de fase de varios grados con C2" necesario es rE y será de aproximadamente uno o dos ohmios mirando la polarización, por lo que R1 apenas tendrá influencia.
Agregue 0.1uF a través de ese desacoplador primero. Luego restaure C3 al rango de 100pf-ish. Luego siga las instrucciones en ese enlace ... necesita más ganancia de bucle. La proporción de C1 y C2 afecta eso (C3, C4 en el artículo), también la resistencia del colector R2 (más baja para más ganancia de bucle).
@Andyaka, creo que estás hablando de L2 como el tanque, ¿no? En cuyo caso tienes toda la razón sobre rE.
@Brian Vaya, sí. Borraré en un momento!!!
@AnthropomorphousDodecahedron Hice lo que especificaste, pero veo que es demasiado tarde.

Respuestas (2)

Los valores del circuito del tanque en este momento son tales que debería producir frecuencias alrededor de 30 MHz.

No con los valores que se muestran: con los valores que se muestran (y un BJT perfecto) es más como 20 MHz.

El oscilador colpitts "básico" produce una frecuencia que es 1 2 π L C donde C es la combinación neta de C1 y C2. Esto significaría que C = 50 pF, por lo que la frecuencia de oscilación será de 22,5 MHz.

La combinación de C4, C6 y C8 reducirá esta frecuencia posiblemente por debajo de 20 MHz.

El siguiente es el BJT: tiene una frecuencia de transición de solo 250 MHz y podría agregar fácilmente 2 o 3 ns de retraso a la señal del emisor. Este tipo de circuito es básicamente un oscilador de cambio de fase: rara vez la frecuencia de oscilación se acerca mucho a la frecuencia máxima definida por L2 y C1 (no C2). Entonces, dado que es un oscilador de cambio de fase, los 2 o 3 ns agregados alrededor del bucle equivalen directamente a un "complemento" de ángulo de fase de aproximadamente 18 grados y el oscilador se verá obligado a funcionar significativamente más lento que 20 MHz.

Una estimación rápida es 1 1 / 250 + 1 / 20 = alrededor de 18 MHz.

Agregue algunas tolerancias del diez por ciento (condensadores e inductores) y el efecto de carga del o-scope y es posible que tenga menos de 12 MHz. Sí, la carga del osciloscopio en el emisor reduce la frecuencia de funcionamiento.

EDITAR: las matemáticas para mostrar cuál es la frecuencia resonante: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Q1 estar polarizado hacia adelante a través de C1 prácticamente elimina C1 de la ecuación, reduciendo aún más la frecuencia de resonancia.
Gracias por la explicación. ¿Alguna idea de cuál podría ser una solución adecuada? ¿Debería simplemente compensar "observando" y ajustar la capacitancia hasta que esté satisfecho con el resultado, o hay una solución más formal/elegante? Además, ¿hay alguna forma de compensar el cambio de fase usando capacitancia/inductancia?
@BrianDrummond, no puede eliminar C1 de las matemáticas porque L2, C1 y C2 agregan una ganancia de voltaje de aproximadamente 6 dB (cuando C1 = C2) y, lo que es más importante, cuando observa la influencia de rE, haga que oscile según mi respuesta, es decir, C = C1 en serie con C2. Hay más ganancia de voltaje de la que se necesita, por lo que la forma de onda sinusoidal nunca es perfecta. Se puede mejorar conectando el emisor a la unión de C1 y C2 a través de 10 a 100 ohmios pero, a medida que aumenta la resistencia, la ganancia del bucle disminuye gradualmente hacia el punto en el que se niega a arrancar en frío.
@AnthropomorphousDodecahedron use una resistencia como se menciona en mi comentario anterior y use un transistor más rápido: desea que la frecuencia de oscilación esté definida en gran medida por el inductor y los condensadores, no por el silicio. En un oscilador colpitts de 10 MHz que hice recientemente, quería una influencia mínima del BJT, así que elegí uno con un fT de 5 GHz.
Veo. Estaba buscando transistores rápidos hoy y los más rápidos que obtuvieron aquí son 300MHz-ish. Sin embargo, la resistencia es factible. Reduje el valor de C3 y me entrometí con C1 y C2 y ahora estoy en 20 MHz. ¡Gracias por la ayuda!
Un valor de C3 superior a 10 nF potencialmente agregará una inductancia parásita en serie con su inductancia oscilante. Para mi oscilador de 10 MHz usé 1 nF y si el tuyo no arranca, en mi opinión, el problema está en otra parte.
Las oscilaciones comenzaron a 100 pF, no estoy seguro de qué cambios causaron eso exactamente, pero eso es todo. ¿Tengo razón al suponer que la inductancia parásita a esa frecuencia sería del orden de decenas de nH o más?
Puede obtener esa información en Internet, como: i.stack.imgur.com/zmMpK.gif - Busqué usando "autorresonancia de condensadores". Consulte también estas preguntas y respuestas: electronics.stackexchange.com/questions/172447/…

Tienes un Colpitts con 9 componentes LC reactivos.

Esta configuración. puede ser subóptimo para que la salida cumpla con sus requisitos de linealidad y 2Vpp 27MHz en 50 ohmios. Utiliza un estrangulador de emisor para elevar la Q y la impedancia de la fuente en la retroalimentación del filtro "pi", pero puede ser algo falso con cargas reactivas.

Lo cambié a un emisor común con R agregados para linealizar la impedancia base y regular la ganancia con proporciones R para obtener una salida sinusoidal algo balanceada para la carga y V+ utilizados.

Aquí está mi simulación interactiva. Consume un poco de energía, ya que esta clase es de baja eficiencia y se indica mediante un mapeo de color en rojo.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La carga del colector acoplado a CA siempre debe ser ligeramente mayor que el valor de Rc a V+ para evitar que la corriente del colector se quede sin energía.

C1 o C2 se pueden sintonizar con un varicap con varias configuraciones, como el divisor L o T, es un tema diferente.

En teoría, despreciando la capacitancia de Miller, L C = 1 ω 2 entonces 27MHz, 1uH, Ceff=34.7pF y en esta simulación 70//72pF=35.5pF muestra una buena concordancia.

Tenga en cuenta que existe asimetría que se puede calcular directamente a partir de los resultados máximos de mi osciloscopio; máx + mín (/media*100 %) para salida de 50 ohmios acoplada a CA o 1,17 V máx, -1,10 V mín o +-3 % de distorsión.
Gracias, esto realmente ayuda. Entonces, según tengo entendido, el estrangulador del emisor impidió que la señal básicamente entrara a tierra en el diseño original. ¿Qué cumple la misma función (si es que es necesario) en su diseño?
Colpitts viene en los 3 pines comunes; Base CB, colector CC y emisor CE. Las impedancias de salida para CC con salida en el emisor son más bajas y tienden a reducir Q. La mía es CE con salida de fuente de corriente. Entonces, L es necesario para elevar la fuente Z (f) en el emisor pero no para CE. Probaste mi sim?
No sé dónde termina "Colpitts" y comienza "Pierce" (creo que depende de dónde apliques tierra). Parece un buen arreglo para conducir una carga de baja impedancia. Todavía requiere un buen condensador de derivación local desde el suministro de CC a tierra. Aumentar la potencia de esta manera puede hacer que el diseño sea un poco extraño.
buena llamada @glen_geek es más un Pierce que tiene un emisor como AC gnd, pero funciona mejor en mi humilde opinión. Por lo tanto, la estabilidad mejorada puede agregar pequeñas Re. pero la corriente CC en espera debe exceder el pico de corriente CA en esto con carga acoplada C si el bucle está abierto
Probé la simulación y jugué un poco con ella. Sin embargo, cuando lo construí, no quería arrancar. Estoy tratando de solucionarlo ahora.
Interesante, LTSpice también dice que no funciona: prntscr.com/gbuvo1 . No estoy seguro si estoy haciendo algo mal o si Falstad Simulator lo está.
desafortunadamente, el diseño era muy sensible a hFE para lograr una ganancia de bucle cercana a la unidad y el modelo de Falstad es ideal con hFE constante que cambiará con Vbe, Ic y Vce. Así que retire la retroalimentación R y reduzca las otras R en un 50% o hasta que la oscilación sea sostenida. o de vuelta al tablero dwg como dicen. El diseño tiene limitaciones difíciles y es mejor usar un resonador de cerámica o tener más cuidado en la selección del dispositivo y el control de ganancia adaptativo.
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