Кристаллическая печь — это камера с контролируемой температурой, используемая для поддержания постоянной температуры кварцевого кристалла в электронных кварцевых генераторах , чтобы предотвратить изменения частоты из-за колебаний температуры окружающей среды. Генератор такого типа известен как кварцевый генератор с контролируемой температурой ( OCXO , где «XO» — это старое сокращение от «кристаллический генератор»). Этот тип генератора достигает максимально возможной стабильности частоты с кристаллом. Они обычно используются для управления частотой радиопередатчиков , базовых станций сотовой связи , военного коммуникационного оборудования и для точного измерения частоты.
Кварцевые кристаллы широко используются в электронных генераторах для точного управления вырабатываемой частотой . Частота, на которой вибрирует кварцевый резонатор , зависит от его физических размеров. Изменение температуры заставляет кварц расширяться или сжиматься из-за теплового расширения , изменяя частоту сигнала, вырабатываемого генератором. Хотя кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , изменения температуры по-прежнему являются основной причиной изменения частоты в кварцевых генераторах.
Печь представляет собой теплоизолированный корпус, содержащий кристалл и один или несколько электрических нагревательных элементов . Поскольку другие электронные компоненты в цепи также уязвимы к температурному дрейфу, обычно вся схема генератора заключена в печь. Датчик температуры термистора в замкнутой цепи управления используется для управления питанием нагревателя и обеспечения поддержания печи при точной желаемой температуре. Поскольку печь работает при температуре выше температуры окружающей среды, генератору обычно требуется период прогрева после подачи питания, чтобы достичь своей рабочей температуры. [1] В течение этого периода прогрева частота не будет иметь полной номинальной стабильности.
Температура, выбранная для печи, - это та, при которой наклон кривой частоты кристалла в зависимости от температуры равен нулю, что дополнительно улучшает стабильность. Используются кристаллы AT- или SC-среза (с компенсацией напряжений). SC-срез имеет более широкий температурный диапазон, в котором достигается близкий к нулю температурный коэффициент, и, таким образом, сокращает время прогрева. [2] Силовые транзисторы обычно используются для нагревателей вместо резистивных нагревательных элементов . Их выходная мощность пропорциональна току, а не квадрату тока, что линеаризует усиление контура управления. [2]
Обычная температура для хрустальной печи составляет 75 °C , [3] но температура может варьироваться от 30 до 80 °C в зависимости от настройки. [4]
Большинство стандартных коммерческих кристаллов рассчитаны на температуру окружающей среды от 0 до 70 °C , промышленные версии обычно рассчитаны на температуру от −40 до +85 °C . [5]
Из-за мощности, необходимой для работы нагревателя, OCXO требуют больше мощности, чем генераторы, работающие при температуре окружающей среды, а требования к нагревателю, тепловой массе и теплоизоляции означают, что они физически больше. Поэтому они не используются в устройствах с батарейным питанием или миниатюрных устройствах, таких как часы . Однако, в свою очередь, генератор с термостатическим управлением достигает наилучшей стабильности частоты, возможной от кристалла. Кратковременная стабильность частоты OCXO обычно составляет 1 × 10−12 в течение нескольких секунд, в то время как долговременная стабильность ограничивается примерно 1 × 10−8 ( 10 ppb ) в год из - за старения кристалла. [1] Для достижения лучшей стабильности требуется переход на атомный стандарт частоты , такой как рубидиевый стандарт , цезиевый стандарт или водородный мазер . Другой более дешевой альтернативой является дисциплинирование кварцевого генератора с помощью сигнала времени GPS , создавая GPS-дисциплинированный генератор ( GPSDO ). Используя GPS-приемник, который может генерировать стабильные сигналы времени (в пределах ~30 нс от UTC ), GPSDO может поддерживать стабильность колебаний 10−13 в течение длительных периодов времени.
Кристаллические печи также используются в оптике. В кристаллах, используемых для нелинейной оптики , фазовое согласование также чувствительно к температуре, и поэтому они требуют температурной стабилизации, особенно когда лазерный луч нагревает кристалл. Кроме того, часто используется быстрая перестройка кристалла. Для этого применения кристалл и термистор должны находиться в очень тесном контакте, и оба должны иметь как можно более низкую теплоемкость. Чтобы избежать разрушения кристалла, следует избегать больших колебаний температуры за короткое время.
* Размеры и стоимость варьируются от <5 см3 и < 5 долларов США для кварцевых генераторов до более 30 литров и 40 000 долларов США для стандартов Cs
. ** Включая воздействие военных сред и один год старения.