锁相环具有跟踪输入信号相位和频率,输出稳定频率时钟信号的能力,被广泛应用于各个领域,不论是在通讯系统,微处理器电路或者存储电路中都起着非常重要的作用,甚至能够直接决定整个系统的工作稳定性和各项指标的优劣。近年来随着信息领域和微处理器的飞速发展,系统的工作频率已经高达几十GHz,芯片尺寸一再缩小,不断减小的芯片面积意味着需要更低的能耗,不断提高的工作频率意味着需要更好的噪声性能等等,这对锁相环电路的设计提出了更高的要求。由于电荷泵锁相环具有易于集成、能耗低、捕获范围宽等特点,本文将对电荷泵锁相环理论知识进行研究,设计一款为基带芯片提供可变频率时钟的电荷泵锁相环。本文首先分析锁相环的基本原理、环路传输函数、噪声以及带宽等关键参数。进而讨论各个子模块及参数对系统性能的影响,并详细分析了开关电容做基准源的设计技术,以及可变调谐曲线压控振荡器的实现方法。最后基于22nm的FinFET CMOS工艺,设计了一款能够快速锁定并自动校准工艺偏差的低功耗锁相环。使用Spectre工具进行了仿真验证,最终设计出的电荷泵锁相环可输出230.4MHz~1420.8MHz频率范围内与输入频率38.4MHz呈整数倍的时钟信号,在所有工作环境下锁定时间小于2μs,相位噪声低于-80dBc/Hz。本文设计中使用开关电容电路取代了传统电荷泵锁相环中的带隙基准电路来作为电荷泵的电流基准源,其好处在于能够通过开关电容随环境的变化补偿环路带宽,有利于提高整个系统的稳定性。最终仿真结果表明,在所有的工作条件下,相较于固定1μA电流做基准源的电荷泵锁相环结构,开关电容做基准源的结构使得整个环路的带宽变化量减小了44%。在压控振荡器方面,采用了可以通过外部四位数字信号控制振荡器并联级数的结构,扩展了输出频率范围,并使得压控振荡器的控制电压保持在调谐曲线线性度较好的区间,在所有工作条件下都处于0.45V~0.65V范围内。由于FinFET工艺对电路的可靠性有更为严苛的要求,本次设计还对电路进行了EOS(电气过应力)、AGING(器件老化)、EM(电迁移)以及SH(自热效应)等可靠性方面的仿真,仿真结果表明电路有良好的工作可靠性,可以满足工业标准。