近年来,随着计算机、雷达、导航技术,尤其是无线通信技术的发展,CMOS单片射频收发机由于其低成本、低功耗、高集成度的特点而被广泛应用。而频率合成器是射频收发机中的关键部分,它能满足对频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率个数等的较高要求。频率合成器是从一个或多个频率中产生多频率的系统,它以锁相环技术为基础。本文以频率合成器为目标,围绕其主要部分-电荷泵锁相环的理论、模型和设计,进行了深入的研究。在分析锁相环基本线性模型的基础上,建立起电荷泵锁相环的高阶线性模型,并分析了高阶环路的稳定性。同时建立了电荷泵锁相环的噪声模型,为后面的低层次设计和优化提供理论依据。然后详细介绍了锁相环各模块电路的工作原理。比较了鉴相器的各种实现方式,针对鉴相器的死区效应与工作频率之间的矛盾,对电路结构进行了优化设计。比较了各种电荷泵在非理想因素上的表现,并讨论这些因素,包括电流匹配、时钟馈通、电荷共享等的影响。接下来本文采用0.18μm工艺设计了一个电荷泵锁相环。以自顶向底的设计方法,从制定设计指标开始,进行了各层次的设计。其中设计的鉴频鉴相器消除了死区效应,鉴相精度高,并且可以达到很高的工作频率;设计的高性能电荷泵采用误差放大器技术,实现了很好的电流匹配性能;根据建立的系统模型,设计并优化了三阶环路滤波器的参数,能够很好地抑制高次谐波。最后对电荷泵锁相环的版图进行了研究和设计。论述了模拟电路和数模混合电路版图的设计要点,分析了混合电路版图中的噪声和干扰的来源,并介绍了相应的解决方法。根据版图设计理论,完成了电荷泵锁相环中各模块的版图设计,并采用所论述的减小干扰的途径对所设计的版图进行优化,实现了布局紧凑,干扰较小的版图设计。