Un oscilador de cuarzo es un circuito electrónico que genera una señal a una frecuencia determinada por un cristal de cuarzo formado a partir de silicio y oxígeno. La propiedad piezoeléctrica del cuarzo lo convierte en un muy buen resonador desde decenas de kilohercios (KHz) hasta cientos de megahercios (MHz). Un oscilador de cristal de cuarzo generalmente está diseñado para operar a una sola frecuencia precisa. Estos osciladores se utilizan para crear frecuencias estables en teléfonos móviles, receptores del sistema de posicionamiento global (GPS) y radios bidireccionales. También se utilizan para el cronometraje preciso en relojes, computadoras y otros equipos electrónicos.
Un cristal de material piezoeléctrico como el cuarzo puede cambiar de forma levemente cuando se aplica voltaje a un electrodo en el cristal. Una vez que se elimina ese voltaje, el cristal puede volver a su forma original y generar un voltaje mientras lo hace. Descubierta en 1880 y llamada piezoelectricidad, esta propiedad es fundamental para el funcionamiento de un oscilador. Se llevaron a cabo experimentos con diferentes materiales de cristal a lo largo del tiempo y el primer oscilador de cuarzo se ensambló a fines de la década de 1910. Desde la década de 1920, los osciladores de cristal de cuarzo se han utilizado con frecuencia en relojes, así como en equipos de radio de aficionados, comerciales y militares.
Cuando se enciende por primera vez un oscilador de cuarzo, el circuito introduce una señal de ruido aleatorio en el cristal. Parte de ese ruido siempre estará en la frecuencia de resonancia del cristal, lo que hace que el cristal oscile. El voltaje producido por el cristal a medida que cambia de forma es amplificado por el circuito del oscilador de cuarzo y retroalimentado al resonador de cristal. A medida que este proceso se repite, las señales dentro de la banda de frecuencia limitada del cristal se volverán más fuertes mientras que otras frecuencias se filtrarán. Una vez que se completa este período de «calentamiento», el oscilador funcionará con precisión a su frecuencia diseñada.
La forma, el tamaño y el corte de un cristal de cuarzo determinan la rapidez con la que se expande y contrae. Un oscilador de cuarzo puede operar a esta velocidad, llamada frecuencia de resonancia. También puede operar a una frecuencia de sobretonos, que es un múltiplo de la frecuencia de resonancia. Si bien los cristales de cuarzo se encuentran naturalmente en el medio ambiente, se fabrica un gran número para aumentar el rendimiento y el suministro de cristales físicamente utilizables.
La salida de frecuencia de un oscilador de cuarzo puede verse afectada por una variedad de factores externos, incluida la temperatura e incluso una aceleración repentina. La radiación también afectará la frecuencia, ya sea de rayos cósmicos en una nave espacial, rayos X o un pulso de radiación ionizante. Algunos de estos factores se pueden compensar con circuitos adicionales que monitorean las condiciones y ajustan la salida del oscilador en consecuencia. Algunos osciladores de cuarzo incluyen un horno controlado con precisión con el cristal en el interior para compensar los cambios de temperatura. Los cristales de cuarzo también se pueden “barrer” o endurecer contra la radiación al hornearlos en una atmósfera y un campo eléctrico especializados.