De nombreuses manières, l’oscillateur Colpitts est l’exact opposé de l’oscillateur Hartley que nous avons examiné dans le tutoriel précédent. Tout comme l’oscillateur Hartley, le circuit tank accordé se compose d’un sous-circuit LC résonnant relié entre le collecteur et la base d’un amplificateur transistor à un seul étage, produisant une forme d’onde de sortie sinusoïdale.

La configuration de base de l’oscillateur Colpitts ressemble à celle de l’oscillateur Hartley mais la différence cette fois-ci est que le point central du sous-circuit tank est maintenant fait à la jonction d’un réseau de “diviseur de tension capacitif” au lieu d’une inductance de type transformateur autotransformateur comme dans l’oscillateur Hartley.

Oscillateur Colpitts
Circuit Tank

L’oscillateur Colpitts utilise un réseau de diviseur de tension capacitif comme source de rétroaction. Les deux condensateurs, C1 et C2, sont placés en travers d’une inductance commune L, comme illustré. Ensuite, C1, C2 et L forment le circuit tank accordé avec la condition pour les oscillations étant : X_C1 + X_C2 = X_L, la même que pour le circuit de l’oscillateur Hartley.

L’avantage de ce type de configuration de circuit capacitif est qu’avec moins d’auto-inductance et d’inductance mutuelle dans le circuit tank, la stabilité de fréquence de l’oscillateur est améliorée, tout en ayant un design plus simple.

Comme avec l’oscillateur Hartley, l’oscillateur Colpitts utilise un amplificateur transistor bipolaire à un seul étage comme élément de gain qui produit une sortie sinusoïdale. Considérons le circuit ci-dessous.

Circuit Basique de l’Oscillateur Colpitts

Le terminal d’émetteur du transistor est effectivement connecté à la jonction des deux condensateurs, C1 et C2 qui sont connectés en série et agissent comme un simple diviseur de tension. Lorsque l’alimentation est d’abord appliquée, les condensateurs C1 et C2 se chargent, puis se déchargent à travers la bobine L. Les oscillations à travers les condensateurs sont appliquées à la jonction base-émetteur et apparaissent amplifiées à la sortie du collecteur.

Les résistances, R1 et R2, fournissent le biais de stabilisation DC habituel pour le transistor de manière normale, tandis que les condensateurs supplémentaires agissent comme des condensateurs de blocage DC. Une self de choc haute fréquence (RFC) est utilisée dans le circuit du collecteur pour fournir une haute réactance (idéalement circuit ouvert) à la fréquence d’oscillation, (ƒr) et une faible résistance à DC pour aider à démarrer les oscillations.

Le décalage de phase externe requis est obtenu de manière similaire à celui du circuit d’oscillateur Hartley avec la rétroaction positive requise obtenue pour maintenir les oscillations non amorties. La quantité de rétroaction est déterminée par le ratio de C1 et C2. Ces deux capacités sont généralement “groupées” ensemble pour fournir une quantité constante de rétroaction afin que lorsqu’une est réglée, l’autre suit automatiquement.

La fréquence des oscillations pour un oscillateur Colpitts est déterminée par la fréquence résonnante du circuit tank LC et est donnée par :

où C_T est la capacité de C1 et C2 connectées en série et est donnée par :

La configuration de l’amplificateur transistor est celle d’un Amplificateur à Émetteur Commun avec le signal de sortie décalé de 180^o par rapport au signal d’entrée. Le décalage de phase supplémentaire de 180^o requis pour l’oscillation est obtenu par le fait que les deux condensateurs sont connectés ensemble en série mais en parallèle avec la bobine inductive, résultant en un décalage de phase total du circuit de zéro ou 360^o.

La quantité de rétroaction dépend des valeurs de C1 et C2. Nous pouvons voir que la tension à travers C1 est la même que la tension de sortie de l’oscillateur, Vout, et que la tension à travers C2 est la tension de rétroaction de l’oscillateur. Alors la tension à travers C1 sera beaucoup plus grande que celle à travers C2.

Par conséquent, en changeant les valeurs des condensateurs C1 et C2, nous pouvons ajuster la quantité de tension de rétroaction renvoyée au circuit tank. Cependant, de grandes quantités de rétroaction peuvent provoquer une distorsion de l’onde sinusoïdale de sortie, tandis que de petites quantités de rétroaction peuvent ne pas permettre au circuit d’osciller.

Enfin, la quantité de rétroaction développée par l’oscillateur Colpitts est basée sur le ratio de capacité de C1 et C2 et détermine l’excitation de l’oscillateur. Ce ratio est appelé la “fraction de rétroaction” et est donné simplement par :

Un circuit Oscillateur Colpitts ayant deux condensateurs de 24nF et 240nF respectivement connectés en parallèle avec une inductance de 10mH. Déterminer la fréquence des oscillations du circuit, la fraction de rétroaction et dessiner le circuit.

La fréquence d’oscillation pour un Oscillateur Colpitts est donnée par :

Comme le circuit Colpitts se compose de deux condensateurs en série, la capacité totale est donc :

L’inductance de l’inducteur est donnée comme 10mH, alors la fréquence d’oscillation est :

La fréquence d’oscillation pour l’Oscillateur Colpitts est donc de 10.8kHz avec la fraction de rétroaction donnée par :

Circuit de l’Oscillateur Colpitts

Tout comme l’oscillateur Hartley, ainsi que l’utilisation d’un transistor à jonction bipolaire (BJT) comme étape active des oscillateurs, nous pouvons également utiliser un amplificateur opérationnel (op-amp). Le fonctionnement d’un Oscillateur Colpitts Op-amp est exactement le même que pour la version transistorisée, la fréquence de fonctionnement étant calculée de la même manière. Considérons le circuit ci-dessous.

Circuit Op-amp

Notez qu’étant une configuration d’amplificateur inverseur, le ratio de R2/R1 fixe le gain de l’amplificateur. Un gain minimum de 2.9 est requis pour commencer les oscillations. La résistance R3 fournit la rétroaction requise au circuit tank LC.

Les avantages de l’oscillateur Colpitts sur les oscillateurs Hartley sont que l’oscillateur Colpitts produit une forme d’onde sinusoïdale plus pure en raison des chemins de faible impédance des condensateurs à haute fréquence.

De plus, en raison de ces propriétés de réactance capacitive, l’oscillateur Colpitts basé sur FET peut fonctionner à très haute fréquence. Bien sûr, tout op-amp ou FET utilisé comme dispositif amplificateur doit être capable de fonctionner à ces hautes fréquences requises.

Pour résumer, l’oscillateur Colpitts consiste en un circuit tank résonateur LC parallèle dont la rétroaction est obtenue au moyen d’un diviseur capacitif. Comme la plupart des circuits oscillateurs, l’oscillateur Colpitts existe sous plusieurs formes, la forme la plus courante étant similaire au circuit transistor ci-dessus.

Le point central du sous-circuit tank est fait à la jonction d’un réseau de “diviseur de tension capacitif” pour renvoyer une fraction du signal de sortie au collecteur du transistor.

Les deux condensateurs en série produisent un décalage de phase de 180^o qui est inversé par un autre 180^o pour produire la rétroaction positive requise. La fréquence d’oscillation, qui est une tension sinusoïdale plus pure, est déterminée par la fréquence de résonance du circuit tank.

Dans le prochain tutoriel sur les oscillateurs, nous examinerons les oscillateurs RC qui utilisent des résistances et des condensateurs comme circuit tank pour produire une forme d’onde sinusoïdale.