铷原子频标(RAFS:Rubidium Atomic Frequency Standard)作为频率和时间基准被广泛应用于导航、通信、导弹、天文观测、授时和精密仪器校准等领域,其性能直接决定了相应应用的准确度。随着大规模集成电路工艺的发展,可以将更多的复杂电路集成到一片芯片中。通过将铷原子频标伺服电路集成到一片芯片中,可以有效地降低铷原子频标伺服电路布线复杂度、体积和功耗,并可以极大地提高铷原子频标输出频率的准确度和稳定性。本论文对被动型铷原子频标的工作原理进行了分析,提出并采用了一种伺服电路适合芯片集成的被动型铷原子频标结构,利用CMOS工艺设计实现了该型铷原子频标需要的伺服电路系统芯片。该芯片集成了一个具有32位相位存储深度和10位电流驱动型数模转换器(DAC)的紧凑型直接数字频率合成器(DDFS)。本论文详细分析了被动型铷原子频标的工作原理,提出了两种伺服电路适合芯片集成的被动型铷原子频标,采用了其中一种被动型铷原子频标并将其伺服电路采用CMOS工艺集成到一片芯片中。本论文提出并设计了高稳定度铷原子频标SoC实现中应用的一种紧凑型直接数字频率合成器。采用正弦对称技术、Modified Sunderland技术、正弦相位差技术、四线逼近技术以及量化和误差ROM技术对相位转正弦的映射数据进行了压缩,从而极大地减小了芯片面积和降低了功耗。通过利用上面的技术,ROM尺寸压缩了98%。采用标准0.35μm CMOS工艺,一个具有32位相位存储深度和10位片上电流驱动型数模转换器的紧凑型直接数字频率合成器已流片成功。