1.9 松弛振荡器

弛豫振荡器被广泛应用于对相位噪声要求不严格的全集成电路中，因为它们不包含电感。与LC振荡器相比，弛豫振荡器仅包含一个能量储存元件。

振荡波形取决于电路的非线性特性，而不是频率选择元件。因此，这些振荡器易于作为单片集成电路制造。

弛豫振荡器

弛豫振荡器是非正弦波振荡器，使用称为多谐振荡器的电路构建块产生三角波、方波和脉冲波形。当环路增益大于1且反馈为正时，输出波形接近正弦波，并且在大部分周期时间内持续存在。

在这种状态下，放大器处于饱和状态或截止状态。这种类型的振荡器被称为弛豫振荡器。

在这样的振荡器中，使用的放大器在短时间内作为高增益放大器，然后等待变化发生。因此，振荡频率并不直接依赖于LC电路的自然频率或相移。

放大器不在电路活动部分的时间间隔决定了振荡频率。弛豫振荡器使用一个设备来改变状态，并使用一个RC定时电路来产生周期性输出波形。

在振荡的一个阶段，弛豫振荡器在反应元件或组件中储存能量，而在下一个阶段，它逐渐释放能量。

上图说明了弛豫振荡器的概念，其中闪光灯每隔一定时间间隔被点亮一次。电路由电池、电容和灯泡组成，灯泡的触发阈值为5V。

当电容充电到灯泡的触发阈值时，电容开始放电，并将其储存的能量供给灯泡。然后灯泡开始闪烁，闪烁时间由电容和电阻组合的时间常数决定。

闪烁结束后，电容再次开始充电，这个过程会不断重复。重复时间取决于充电和放电时间。弛豫振荡器也基于相同的原理，因此它是一个重复电路。

弛豫振荡器分为两类：锯齿波振荡器和多谐振荡器。在第一种情况下，开关器件的导通导致电容快速且瞬间放电，因此总输出波形几乎完全由充电周期决定。

在多谐振荡器类型中，电容的充电和放电都通过电阻缓慢进行。因此，总输出波形由这两个周期共同贡献。

UJT弛豫振荡器电路

下图展示了使用单结晶体管（UJT）构建的弛豫振荡器。连接在UJT发射极端的RC组合电路决定了振荡频率。电阻 $R_1$ 和 $R_2$ 用作限流电阻，如下图所示。

当电路被直流电压激励时，UJT保持在关闭状态，电容开始通过电阻 $R$ 充电。由于UJT的发射极端连接到电容，电容电压显著影响UJT的性能。当电容两端的电压达到UJT的峰值电压时，UJT进入导通模式。

此时，发射极 - 基极1的电阻崩溃，因此电容开始放电。当电容两端的电压达到UJT的谷值电压时，发射极 - 基极1的电阻恢复到高阻态，因此UJT进入截止模式。

因此，电容再次开始充电，这个过程不断重复，结果在电容两端产生锯齿波形，如下图所示。

多谐振荡器电路

它是一种产生周期性方波的弛豫振荡器。方波的幅度在一段时间内保持不变，然后突然变为另一个电平，进一步保持不变，这些突然的变化周期性地进行。

下图展示了多谐振荡器电路，它无需外部信号即可连续产生方波。它由两个级联的电阻耦合放大器组成，每个阶段的输出相互耦合以实现再生，如下图所示。

它包含两个准稳定状态，相关电路无需触发即可从一个准稳定状态切换到另一个状态。

当电路接通电源时，$T_1$ 的导通程度大于 $T_2$（由于两个阶段电路的非对称元件导致失衡），这意味着 $T_1$ 的集电极电流大于 $T_2$ 的集电极电流，因此 $V_{c1}$ 小于 $V_{c2}$。

由于这个电压 $V_{c1}$ 被耦合到 $T_2$ 的基极，$T_2$ 的集电极电流进一步降低，最终 $V_{c2}$ 接近 $V_{cc}$。这个过程将持续到晶体管 $T_1$ 完全导通而 $T_2$ 完全截止为止。这是其中一个准稳定状态，在此期间 $C_2$ 通过 $R_{c2}$ 充电。

与此同时，电容 $C_1$（已经充电）通过 $T_1$ 和 $R_1$ 放电，使 $T_2$ 的基极突然变为 $V_{cc}$。因此，没有电流流过 $T_1$ 的基极，它停止导通。现在，随着基极电流的增加，$T_2$ 开始导通。

这个过程将持续到 $T_2$ 完全导通和 $T_1$ 完全截止为止。这是另一个准稳定状态。在整个过程中，电压 $V_{c1}$ 和 $V_{c2}$ 呈现互补的方波形状。

使用运算放大器的弛豫振荡器电路

下图展示了一个运算放大器版本的弛豫振荡器，其输出在运算放大器的两个饱和极限之间来回切换。输出取自运算放大器的输出端，该输出通过电阻 $R$ 对电容充电。

当电路接通电源时，电容开始通过电阻 $R$ 向 $V_{cc}$ 充电。每当电容两端的电压达到运算放大器的触发电压时，运算放大器切换，输出电压反转为其相反的饱和极限。

然后，通过电阻的电流改变符号，电容开始向相反的阈值放松。运算放大器正输入端的触发阈值电压也发生了变化，因此当电容电压达到这个阈值时，运算放大器输出再次改变其状态。

这个过程将不断重复。运算放大器输出电压和电容两端电压的典型波形如下图所示。

使用555定时器的弛豫振荡器电路

可以通过使用555定时器实现弛豫振荡器或多谐振荡器，其电路如下图所示。输出波形的脉冲宽度取决于RC时间常数。电路连接方式为：引脚4直接连接到电源；引脚6和引脚2短接；引脚3输出。

当电路接通电源时，电容开始使用电源 $V_{cc}$ 充电。然后引脚3的输出为高（由于放电端子处于开路状态）。

当电容电压达到 $\frac{2}{3} V_{cc}$ 时，内部触发器改变状态，放电端子被短接到地，因此输出变低。通过改变电阻和电容的值，可以改变工作频率。

以这种方式操作555定时器，它没有稳定状态，这意味着它不能无限期地保持在任何一种状态。因此，在输出端获得一系列矩形脉冲。

弛豫振荡器的应用

这些振荡器被广泛应用于许多领域，其中一些如下：

• 示波器
• 电视接收器
• 频闪仪
• 电子相机闪光灯
• 在数字电路中产生时钟信号
• 用于触发晶闸器电路和设备