晶體振蕩器電路通過從石英諧振器獲取電壓信號，對其進行放大并將其反饋回諧振器來維持振蕩。石英的膨脹和收縮速率是諧振頻率，由晶體的切割和尺寸決定。當產(chǎn)生的輸出頻率的能量與電路中的損耗匹配時，可以維持振蕩。

振蕩器晶體具有兩個導(dǎo)電板，在它們之間夾有一塊石英片或音叉。在啟動期間，控制電路會將晶體置于不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，并且由于系統(tǒng)中的正反饋，因此任何微小的噪聲被放大，增加振蕩。晶體諧振器也可以看作是該系統(tǒng)中的高頻率選擇濾波器：它僅使諧振頻帶周圍的頻率范圍很窄，從而使其他所有信號衰減。最終，只有諧振頻率有效。當振蕩器放大從晶體發(fā)出的信號時，晶體頻帶中的信號變得更強，最終主導(dǎo)了振蕩器的輸出。石英晶體的窄共振帶濾除了所有不需要的頻率。

石英振蕩器的輸出頻率可以是基頻諧振的輸出頻率，也可以是諧振頻率的倍數(shù)，稱為諧波頻率。諧波是基頻的精確整數(shù)倍。但是，與許多其他機械諧振器一樣，晶體表現(xiàn)出幾種振蕩模式，通常是基頻的大約奇數(shù)倍。這些被稱為“泛音模式”，并且可以設(shè)計振蕩器電路來激發(fā)它們。泛音模式處于近似的頻率，但不是基頻的正整數(shù)倍，因此泛音頻率不是基頻的精確諧波。

高頻晶體通常被設(shè)計為在第三，第五或第七諧波下工作。制造商很難生產(chǎn)足夠薄的晶體以產(chǎn)生超過30 MHz的基頻。為了產(chǎn)生更高的頻率，制造商將泛音晶體調(diào)整為將第三，第五或第七泛音置于所需的頻率，因為它們比會產(chǎn)生相同頻率的基本晶體更厚，因此更易于制造，盡管可以激發(fā)所需的泛音頻率需要稍微復(fù)雜一些的振蕩器電路。[12] [13] [14] [15] [16] 基本的晶體振蕩器電路比第三泛音電路更簡單，更有效，并且具有更高的可拉性。根據(jù)制造商的不同，最高可用基本頻率可能是25 MHz至66 MHz。[17] [18]

石英晶體的內(nèi)部。

晶體振蕩器廣泛使用的主要原因是其高Q因子。一個典型的Q為石英振蕩器值范圍為10 4至10 6，相比也許10 2用于LC振蕩器。高穩(wěn)定性石英振蕩器的最大Q可以估計為Q = 1.6×10 7 / f，其中f是兆赫茲的諧振頻率。[19] [20]

石英晶體振蕩器的最重要特征之一是它們可以表現(xiàn)出非常低的相位噪聲。在許多振蕩器中，諧振器會放大諧振頻率處的任何頻譜能量，從而產(chǎn)生不同相位的音調(diào)集合。在晶體振蕩器中，晶體主要在一個軸上振動，因此只有一個相位占主導(dǎo)。低相位噪聲的這種特性使其特別適用于需要穩(wěn)定信號的電信以及需要非常精確的時間基準的科學(xué)設(shè)備。

溫度，濕度，壓力和振動的環(huán)境變化會改變石英晶體的諧振頻率，但是有幾種設(shè)計可以減少這些環(huán)境影響。這些包括下面定義的TCXO，MCXO和OCXO。這些設(shè)計，尤其是OCXO，通常會生產(chǎn)出具有出色短期穩(wěn)定性的器件。短期穩(wěn)定性的限制主要是由于振蕩器電路中電子元件產(chǎn)生的噪聲。長期穩(wěn)定性受到晶體老化的限制。

由于老化和環(huán)境因素（例如溫度和振動），即使不調(diào)節(jié)，也很難將最佳石英振蕩器保持在其標稱頻率的10 10內(nèi)。因此，原子振蕩器用于需要更好的長期穩(wěn)定性和準確性的應(yīng)用中。

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