Ein Quarzoszillator ist eine elektronische Schaltung, die ein Signal mit einer Frequenz erzeugt, die von einem Quarzkristall aus Silizium und Sauerstoff bestimmt wird. Die piezoelektrische Eigenschaft von Quarz macht ihn zu einem sehr guten Resonator von mehreren zehn Kilohertz (KHz) bis zu mehreren hundert Megahertz (MHz). Ein Quarzkristalloszillator ist normalerweise nur für den Betrieb mit einer einzigen präzisen Frequenz ausgelegt. Diese Oszillatoren werden verwendet, um stabile Frequenzen in Mobiltelefonen, GPS-Empfängern (Global Positioning System) und Funkgeräten zu erzeugen. Sie werden auch zur präzisen Zeitmessung in Uhren, Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet.
Ein Kristall aus piezoelektrischem Material wie Quarz kann seine Form geringfügig ändern, wenn eine Spannung an eine Elektrode des Kristalls angelegt wird. Sobald diese Spannung entfernt ist, kann der Kristall in seine ursprüngliche Form zurückkehren und dabei eine Spannung erzeugen. Diese im Jahr 1880 entdeckte und als Piezoelektrizität bezeichnete Eigenschaft ist entscheidend für den Betrieb eines Oszillators. Im Laufe der Zeit wurden Experimente mit verschiedenen Quarzmaterialien durchgeführt und der erste Quarzoszillator wurde Ende der 1910er Jahre zusammengebaut. Quarzoszillatoren werden seit den 1920er Jahren häufig in Uhren sowie in Amateur-, kommerziellen und militärischen Funkgeräten eingesetzt.
Wenn ein Quarzoszillator zum ersten Mal eingeschaltet wird, führt die Schaltung dem Quarz ein zufälliges Rauschsignal zu. Ein Teil dieses Rauschens liegt immer auf der Resonanzfrequenz des Quarzes, wodurch der Quarz schwingt. Die vom Quarz bei seiner Formänderung erzeugte Spannung wird von der Quarzoszillatorschaltung verstärkt und zum Quarzresonator zurückgeführt. Wenn sich dieser Vorgang wiederholt, werden die Signale innerhalb des begrenzten Frequenzbandes des Quarzes stärker, während andere Frequenzen herausgefiltert werden. Sobald diese „Aufwärmphase“ abgeschlossen ist, arbeitet der Oszillator genau mit seiner vorgesehenen Frequenz.
Form, Größe und Schliff eines Quarzkristalls bestimmen, wie schnell er sich ausdehnt und zusammenzieht. Ein Quarzoszillator kann mit dieser Frequenz arbeiten, die als Resonanzfrequenz bezeichnet wird. Es kann auch mit einer Obertonfrequenz betrieben werden, die ein Vielfaches der Resonanzfrequenz ist. Während Quarzkristalle natürlicherweise in der Umwelt vorkommen, werden sehr viele hergestellt, um die Ausbeute und das Angebot an physikalisch nutzbaren Kristallen zu erhöhen.
Die Frequenzausgabe eines Quarzoszillators kann durch eine Vielzahl externer Faktoren beeinflusst werden, einschließlich Temperatur und sogar plötzlicher Beschleunigung. Strahlung beeinflusst auch die Frequenz, sei es von kosmischer Strahlung in einem Raumfahrzeug, Röntgenstrahlen oder einem Impuls ionisierender Strahlung. Einige dieser Faktoren können durch eine zusätzliche Schaltung kompensiert werden, die die Bedingungen überwacht und den Oszillatorausgang entsprechend anpasst. Einige Quarzoszillatoren enthalten einen präzise gesteuerten Ofen mit dem Quarz im Inneren, um Temperaturänderungen zu kompensieren. Quarzkristalle können auch „gekehrt“ oder gegen Strahlung gehärtet werden, indem sie in einer speziellen Atmosphäre und einem elektrischen Feld gebacken werden.