AN-005: CSAC vs Rubidium vs OCXO

Application Note AN-005 · By KCCS Engineering Team · Updated 2026 · 8 min read

The Four Timing Reference Options

Wenn ein ofengeheizter OCXO nicht stabil genug ist, ist der nächste Schritt eine Atomreferenz. Es gibt drei Stufen über High-End-OCXO: Chip-Scale-Atomuhru (CSAC), kohärente Populations-Fang-Uhr (CPT) und herkömmliche Rubidium-Uhr. Jede nimmt einen anderen Kompromiss zwischen Leistung, Größe, Stabilität und Kosten ein.

High-End OCXO — The Baseline

Ein ultrahochstabiler OCXO (KOT/KOS-Serie) liefert ±0,01 ppb über der Temperatur und ADEV um 1E-13 bei 1 s. Er braucht 100–600 mW, braucht einige Minuten zum Aufwärmen und kostet Hunderte Dollar. Er ist die richtige Antwort für jede Anwendung, bei der die Temperatur kontrolliert ist und Holdover in Stunden, nicht Tagen gemessen wird.

CSAC — Chip-Scale Atomic Clock

Ein CSAC (wie KCSA35) verwendet eine Miniatur-Rubidium-Dampfzelle auf einem Siliziumchip. Er verbraucht nur 130 mW — niedrig genug für batteriebetriebenen Einsatz — und liefert Holdover um 5 μs über 24 Stunden, mit Alterung unter 1E-10 pro Monat. Er startet in unter einer Minute und passt in ein 35×35 mm-Gehäuse.

Der Kompromiss: Das Phasenrauschen ist höher als bei einem guten OCXO (ca. -140 dBc/Hz bei 1 kHz), und die kurzzeitige ADEV ist schlechter. CSAC ist eine Holdover-Lösung, keine Rauschreferenz.

CPT Clock — Mid-Grade Atomic

Eine CPT-Uhr (KCPTA50) nutzt kohärentes Populations-Fangen in einer Rubidium-Zelle. Sie verbraucht rund 3 W, liefert Holdover unter 1 μs über 24 Stunden über einen weiten Temperaturbereich (-40 bis +80 °C) und hat eine Temperaturstabilität um ±5E-11. Sie liegt zwischen CSAC und traditionellem Rubidium: besserer Holdover als CSAC, viel weniger Leistung und kleiner als Rubidium.

Rubidium — The Laboratory Standard

Ein Rubidium-Oszillator (KRA-Serie) nutzt eine Rubidium-Gaszelle und ein Physik-Paket, um den Quarz an die Rb-Atomresonanz zu locken. Er liefert Alterung um 5E-11 pro Monat, Phasenrauschen vergleichbar mit einem hochwertigen OCXO und über 20 Jahre Lebensdauer. Der Kompromiss ist Leistung (5–20 W), Aufwärmzeit (5–15 Minuten) und Kosten (Tausende Dollar).

Decision Criteria

Use OCXO if: temperature is controlled, holdover window is hours, and you need the lowest phase noise.

Use CSAC if: GNSS is unreliable, battery operation is required, and you need sub-microsecond holdover over days.

Use CPT if: wide temperature range and outdoor deployment matter more than absolute power, and you want better holdover than CSAC without rubidium cost.

Use Rubidium if: this is a lab reference, a broadcast studio, or a long-haul telecom node that needs the best long-term stability regardless of power and size.