作为微处理器的关键部件之一，时钟系统占据着非常重要的角色。随着信号频率的提升和工艺节点的下降，传统的时钟技术已经不能满足下一代微处理器的性能需求。由于旋转时钟技术能够产生高频率、低抖动的时钟信号和建立低功耗的时钟分布网络，被认为是下一代时钟系统的研究方向之一。旋转时钟技术的核心振荡电路是旋转行波振荡器，由一条闭环传输线和若干组负阻补偿单元构成，为时钟分布网络提供高频率的方波时钟信号。首先，本文对传统的旋转行波振荡器进行了详尽地描述和分析，并将电路分为振荡部分和补偿部分分别进行分析和讨论。然后，提出了一种具有频率调节机制的旋转行波振荡器。由此，根据不同的电路功能将改进后的旋转行波振荡器的三个电路部分，振荡电路部分、补偿电路部分和频率调节部分，分别进行电路建模。其中，振荡电路部分的电路分析模型来源于基本振荡原理和传输线原理；对于补偿电路部分，本文讨论了MOS管的伏安特性，以此分析了反相器对的负阻特性，并建立了电路分析模型；对于频率调节部分，本文描述了三种MOS变容器的构成方式和电容特性，以此选择了累积型MOS变容器实现片上电容调节。其次，为了实现快速而精确的电路仿真，并支持大规模、多变量的遍历实验，本文设计了一款自动化旋转行波振荡器设计工具——RotarySim。该工具采用了基于麦克斯韦方程组的3-D电磁场计算工具FastHenry进行片上传输线的阻抗矩阵计算，并转化为SPICE网表。通过设定多种旋转行波振荡器的设计参数，RotarySim能够输出直接用于电路仿真的SPICE网表，并自动收集实验结果。仿真实验证明，上述设计工具和理论分析可以有效地实现电路的建模和分析。本文利用该工具进行了工艺敏感性分析实验，说明工艺偏差对旋转行波振荡器的性能影响不容忽视。接着，本文基于一款旋转行波振荡器的设计参数，利用RotarySim建立了有关旋转行波振荡器的“环路形态→尺寸设计→参数调节→性能验证”的电路设计流程。环路形态由负载部分和性能需求共同决定，而尺寸设计需要通过负阻补偿单元和MOS变容器的双变量实验得到中心频率和频率变化范围，从而选择合适的设计参数来满足设计需求。通过上述流程，本文实现了一款中心频率为5.8GHz左右，频率调节范围在3GHz左右的电压控制旋转行波振荡器。另外，本文还对频率调节部分进行了改进，将控制电压转化为数字信号通过逻辑控制的方式对MOS变容器阵列进行开启和关闭，从而调节振荡频率。最后，本文对上述内容进行总结，并提出了对未来的展望。