Un oscillatore al quarzo è un circuito elettronico che genera un segnale a una frequenza determinata da un cristallo di quarzo formato da silicio e ossigeno. La proprietà piezoelettrica del quarzo lo rende un ottimo risonatore da decine di Kilohertz (KHz) a centinaia di Megahertz (MHz). Un oscillatore a cristallo di quarzo è tipicamente progettato per funzionare solo a una singola frequenza precisa. Questi oscillatori vengono utilizzati per creare frequenze stabili nei telefoni cellulari, nei ricevitori GPS (Global Positioning System) e nelle radio ricetrasmittenti. Sono anche utilizzati per il cronometraggio preciso in orologi, computer e altre apparecchiature elettroniche.
Un cristallo di materiale piezoelettrico come il quarzo può cambiare leggermente forma quando viene applicata una tensione a un elettrodo sul cristallo. Una volta rimossa tale tensione, il cristallo può tornare alla sua forma originale e generare una tensione mentre lo fa. Scoperta nel 1880 e chiamata piezoelettricità, questa proprietà è fondamentale per il funzionamento di un oscillatore. Nel corso del tempo furono condotti esperimenti con diversi materiali cristallini e il primo oscillatore al quarzo fu assemblato alla fine degli anni ‘1910. Dagli anni ‘1920, gli oscillatori al cristallo di quarzo sono stati frequentemente utilizzati negli orologi e nelle apparecchiature radio amatoriali, commerciali e militari.
Quando un oscillatore al quarzo viene acceso per la prima volta, il circuito introduce un segnale di rumore casuale al cristallo. Parte di quel rumore sarà sempre alla frequenza di risonanza del cristallo, che fa oscillare il cristallo. La tensione prodotta dal cristallo mentre cambia forma viene amplificata dal circuito dell’oscillatore al quarzo e rinviata al risonatore a cristallo. Man mano che questo processo si ripete, i segnali all’interno della banda di frequenza limitata del cristallo diventeranno più forti mentre le altre frequenze verranno filtrate. Una volta completato questo periodo di “riscaldamento”, l’oscillatore funzionerà esattamente alla sua frequenza progettata.
La forma, le dimensioni e il taglio di un cristallo di quarzo determinano la velocità con cui si espande e si contrae. Un oscillatore al quarzo può funzionare a questa velocità, chiamata frequenza di risonanza. Può anche funzionare a una frequenza armonica, che è un multiplo della frequenza di risonanza. Mentre i cristalli di quarzo si trovano naturalmente nell’ambiente, un numero molto elevato viene prodotto per aumentare la resa e la fornitura di cristalli fisicamente utilizzabili.
La frequenza in uscita da un oscillatore al quarzo può essere influenzata da una varietà di fattori esterni tra cui la temperatura e persino un’accelerazione improvvisa. Le radiazioni influenzeranno anche la frequenza, sia che provengano dai raggi cosmici in un veicolo spaziale, dai raggi X o da un impulso di radiazioni ionizzanti. Alcuni di questi fattori possono essere compensati con circuiti aggiuntivi che monitorano le condizioni e regolano di conseguenza l’uscita dell’oscillatore. Alcuni oscillatori al quarzo includono un forno controllato con precisione con il cristallo all’interno per compensare le variazioni di temperatura. I cristalli di quarzo possono anche essere “spazzati” o induriti contro le radiazioni cuocendoli in un’atmosfera e in un campo elettrico specializzati.