Un oscillateur à quartz est un circuit électronique qui génère un signal à une fréquence déterminée par un cristal de quartz formé de silicium et d’oxygène. La propriété piézoélectrique du quartz en fait un très bon résonateur de dizaines de kilohertz (KHz) à des centaines de mégahertz (MHz). Un oscillateur à cristal de quartz est généralement conçu pour fonctionner à une seule fréquence précise. Ces oscillateurs sont utilisés pour créer des fréquences stables dans les téléphones portables, les récepteurs du système de positionnement global (GPS) et les radios bidirectionnelles. Ils sont également utilisés pour le chronométrage précis des montres, ordinateurs et autres équipements électroniques.
Un cristal de matériau piézoélectrique tel que le quartz peut légèrement changer de forme lorsqu’une tension est appliquée à une électrode sur le cristal. Une fois cette tension supprimée, le cristal peut reprendre sa forme d’origine et générer une tension en même temps. Découverte en 1880 et appelée piézoélectricité, cette propriété est essentielle au fonctionnement d’un oscillateur. Des expériences ont été menées avec différents matériaux cristallins au fil du temps et le premier oscillateur à quartz a été assemblé à la fin des années 1910. Depuis les années 1920, les oscillateurs à quartz sont fréquemment utilisés dans les horloges ainsi que dans les équipements radio amateurs, commerciaux et militaires.
Lorsqu’un oscillateur à quartz est mis sous tension pour la première fois, le circuit introduit un signal de bruit aléatoire dans le cristal. Une partie de ce bruit sera toujours à la fréquence de résonance du cristal, ce qui fait osciller le cristal. La tension produite par le cristal lorsqu’il change de forme est amplifiée par le circuit oscillateur à quartz et renvoyée au résonateur à cristal. Au fur et à mesure que ce processus se répète, les signaux dans la bande de fréquences limitée du cristal deviendront plus forts tandis que les autres fréquences seront filtrées. Une fois cette période de chauffage terminée, l’oscillateur fonctionnera précisément à sa fréquence conçue.
La forme, la taille et la coupe d’un cristal de quartz déterminent à quelle vitesse il se dilate et se contracte. Un oscillateur à quartz peut fonctionner à cette vitesse, appelée fréquence de résonance. Il peut également fonctionner à une fréquence harmonique, qui est un multiple de la fréquence de résonance. Alors que les cristaux de quartz sont naturellement présents dans l’environnement, un très grand nombre est fabriqué afin d’augmenter le rendement et l’offre de cristaux physiquement utilisables.
La fréquence de sortie d’un oscillateur à quartz peut être affectée par divers facteurs externes, notamment la température et même une accélération soudaine. Le rayonnement affectera également la fréquence, qu’il s’agisse de rayons cosmiques dans un vaisseau spatial, de rayons X ou d’une impulsion de rayonnement ionisant. Certains de ces facteurs peuvent être compensés par des circuits supplémentaires qui surveillent les conditions et ajustent la sortie de l’oscillateur en conséquence. Certains oscillateurs à quartz incluent un four contrôlé avec précision avec le cristal à l’intérieur pour compenser les changements de température. Les cristaux de quartz peuvent également être balayés ou durcis contre les radiations en les cuisant dans une atmosphère et un champ électrique spécialisés.