Benutzer:Rainglasz/Colpitts-Oszillator

Der folgende Text soll als Unterabschnitt im Artikel Colpitts-Schaltung eingefügt werden:

Oszillator-Dimensionierung

Es sind verschiedene Schaltungsarten möglich, deren Dimensionierung am Beispiel erläutert wird.

Zahlen sind in der Regel auf zwei signifikante Ziffern gerundet.

Randbedingungen

Der Oszillator soll auf 1 MHz schwingen. Die Induktivität der Spule sei 126µH und die des Kondensators 200pF. Damit ergibt sich eine Schwingfrequenz von 1,003 MHz.

Der Resonanzwiderstand des Schwingkreises bei Kreisgüte 1 ist ${\sqrt {L/C}}=797\Omega \approx 800\Omega$. Für eine Güte von 50 sind damit der äquivalente Parallelwiderstand (und damit der Widerstand in Parallelresonanz) 40kΩ und der Serienwiderstand 16Ω.

JFET in Sourceschaltung

Es wird die klassische, auch aus der Röhrentechnik bekannte Schaltung mit einem JFET in Sourceschaltung (entsprechend Kathodenbasisschaltung) verwendet. L1 und die Reihenschaltung von C2 und C3 bilden den Schwingkreis. Die Mitte des Spannungsteilers aus C2 und C3 liegt an Masse; damit sind die Spannungen an den anderen Enden von C2 und C3 gegenphasig. Diese Punkte liegen an dem Ausgang des Verstäkers mit dem JFET J1, und an dessen Gate. Da in der Sourceschaltung die Steuerspannung am Gate und die Ausgangsspannung am Drain gegenphasig sind, ergibt sich eine gleichphasige Rückkopplung; die Schaltung kann in Bezug auf die Phasenbedingung schwingen. C1 koppelt die Wechselspannung auf das Gate, das mit R2 auf die Vorspannung 0V gehalten wird.

C2 ist wesentlich größer als C3, damit im Wesentlichen die Eigenschaften von C3 die Schwingfrequenz bestimmen. Zwar ist die Gate-Kapazität eines JFET (und einer Röhre) ohnehin relativ klein (ca. 5pF), aber tempertaurabhängig; durch die Parallelschaltung zu dem größeren Kondensator wird der Einfluss der Änderungen kleiner.

Da für die Frequenz die Reihenschaltung von C3 und C2 wirksam ist, wurde C3 entsprechend erhöht; die wirksame Kapazität ist danach 198pF, so dass eine Reserve von 2pF für Streukapazitäten bleibt.

Die gesamte Schwingkreisspannung wird durch C2 und C3 aufgeteilt; die Rückkopplungsspannung am Gate ist 1/10 der Spannung an der Spule L1 und 1/9 der Spannung am Verstärkerausgang. Daher muss der Verstäker eine Mindestverstärkung von 10 aufweisen.

Im gewählten Arbeitspunkt mit einer Gatespannung von 0V hat der verwendete JFET vom Typ 2N3819 eine Steilheit g=6mA/V. Mit dem Arbeitswiderstand R1=2kOhm ergibt sich eine Verstärkung von g*R1=12, also kann die Schaltung schwingen, da die Schleifenverstärkung von 12/9 größer als 1 ist.

Im gewählten Arbeitspunkt ist der Strom durch R1 den Wert von 10mA, so dass an R2 20 Volt abfallen. Da der JFET mindestens 3V Differenz zwischen Drain und Source benötigt, ist eine Versorgungsspannung von V1=24V vorgesehen. Eine geringere Versorgungsspannung ist nur durch Vermindern von C2 möglich.

Da der Resonanzwiderstand des Schwingkreises parallel zum Arbeitswiderstand R1 liegt, ist der effektive Arbeitswiderstand geringer. Da jedoch bei einer Güte von 50 der Resonanzwiderstand 40kOhm ist, kann dieser Einfluss noch vernachlässigt werden.

Anstelle von R1 als ohm'scher Widerstand kann auch eine Induktivität verwendet werden. Da der (Wechselstrom-) Arbeitswiderstand 2kΩ betragen soll, ist eine Induktivität von 330µH erforderlich. Allerdings wird dann die Resonanzfrequenz größer (z.B. von 0,998 auf 1,11 MHz), weil die am Schwingkreis wirksame Induktivität zunimmt. Dafür kann jetzt die Betriebsspannung auf 5V reduzeriert werden, weil an der Induktivität praktisch keine Spannung abfällt. Ein Wert von 1200µH bewirkt nur noch eine geringe Verstimmung; dann sollte allerdings auch C2 auf 10nF überhöht werden, um den Verstärker nicht zu sehr zu übersteuern.

Als Ausgang nimmt man zweckmäßig den Gate-Anschluss, da hier eine kapazitive und ohmsche Last nur geringe Verstimmung bewirkt. Allerdings ist die Ausgangsspannung auch nur ca. 100mV. Mit einem zweiten FET als Sourcefolger kann man natürlich auch am Schwingkreis auskoppeln. Jedoch sind die Oberwellen am Gate deutlich geringer als am Drain.