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

Quand un OCXO à four n'est pas assez stable, l'étape suivante est une référence atomique. Il y a trois niveaux au-dessus de l'OCXO haut de gamme : horloge atomique à puce (CSAC), horloge à piégeage cohérent de population (CPT) et rubidium traditionnel. Chacune occupe un compromis différent entre puissance, taille, stabilité et coût.

High-End OCXO — The Baseline

Un OCXO ultra-haute stabilité (série KOT/KOS) offre ±0,01 ppb en température et une ADEV autour de 1E-13 à 1 s. Il consomme 100–600 mW, met quelques minutes à chauffer et coûte quelques centaines de dollars. C'est la bonne réponse pour toute application où la température est contrôlée et le holdover se compte en heures, pas en jours.

CSAC — Chip-Scale Atomic Clock

Un CSAC (comme KCSA35) utilise une mini-cellule à vapeur de rubidium sur puce de silicium. Il consomme seulement 130 mW — assez bas pour un fonctionnement sur batterie — et offre un holdover d'environ 5 μs sur 24 h, avec un vieillissement inférieur à 1E-10 par mois. Il démarre en moins d'une minute et tient dans un boîtier 35×35 mm.

Le compromis : le bruit de phase est plus élevé qu'un bon OCXO (environ -140 dBc/Hz à 1 kHz), et l'ADEV à court terme est moins bonne. Le CSAC est une solution de holdover, pas une référence bas bruit.

CPT Clock — Mid-Grade Atomic

Une horloge CPT (KCPTA50) utilise le piégeage cohérent de population dans une cellule au rubidium. Elle consomme environ 3 W, offre un holdover sous 1 μs sur 24 h sur une large plage de température (-40 à +80 °C), et une stabilité en température autour de ±5E-11. Elle se situe entre un CSAC et un rubidium traditionnel : meilleur holdover que CSAC, beaucoup moins de puissance et plus petit que le rubidium.

Rubidium — The Laboratory Standard

Un oscillateur au rubidium (série KRA) utilise une cellule de gaz au rubidium et un package physique pour verrouiller le cristal sur la résonance atomique Rb. Il offre un vieillissement d'environ 5E-11 par mois, un bruit de phase comparable à un OCXO haut de gamme, et 20+ ans de durée de vie. Le compromis est la puissance (5–20 W), le temps de chauffe (5–15 minutes) et le coût (milliers de dollars).

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.