在当今社会，电子产品风靡全球，锁相环作为各种电子产品的重要组成部分，应用在生活的各种领域，它的性能的好坏也显得至关重要。通过阅读大量文献，重点综述了锁相环的发展历程和应用状况，以及国内外的发展情况和未来的发展趋势；分析了锁相环的基本机构和工作原理，并通过数学建模对电荷泵锁相环的每个模块，包括鉴频检相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器进行了建模，在此基础上着重对电荷泵锁相环的功耗、噪声、跟踪性能、捕获性能和稳定性等进行了详细解析。为了得到更优性能的电荷泵锁相环，又从电路级对电荷泵锁相环的各个组成部分的工作原理、特性和典型电路的优缺点进行了具体分析，尤其对现在应用比较广泛的各种电路模块进行了具体说明，并且有选择的进行了仿真和分析；最终通过对各电路模块性能的折中分析，选取了改进后的性能较理的电路模块。本文通过大量计算和仿真，选用改进后的预充电鉴频检相器、32分频的分频器、二阶环路滤波器和由差分对构成的压控振荡器，使用软件对各个电路模块进行了仿真分析，并且设置工作电压为3V，在参考频率为20MHz时，使输出频率达到640MHz，实现了启动6μs即可进行锁定。最终的仿真结果验证了设计的理论建模。