高性能频率综合器,作为射频前端核心模块之一,在无线通信、导航、雷达等领域有广泛的应用场景。研究与设计低相位噪声、高稳健性的频率综合器,对于保证低误码率数据传输、雷达探测精度具有重要意义。亚采样锁相环作为一种频率综合器的实现方案,可以显著抑制亚采样鉴相器和亚采样电荷泵的噪声贡献,在低相位噪声性能方面具有突出优势。本文以亚采样锁相环为研究对象,重点研究S波段亚采样锁相环的相位噪声与锁定范围的优化技术,对于支撑高速率无线通信、高精度雷达探测具有重要意义。本文针对S波段亚采样锁相环的相位噪声与锁定范围的问题,在双模低相位噪声压控振荡器、亚采样鉴相器、环路切换方案等方面开展了研究。首先,对亚采样锁相环系统相位噪声传递函数进行了建模与分析,获得低相位噪声性能的环路参数,以指导电路模块设计与优化。针对压控振荡器相位噪声恶化亚采样锁相环带外相位噪声性能的问题,研究与设计了一个变压器耦合的双模压控振荡器,具有较宽的频率调谐范围和良好的相位噪声,利用电容耦合可以保证压控振荡器在整个频段内具有更平衡的噪声性能。Cadence和电磁混合仿真结果表明,在2.2-4.4 GHz的频率范围内,输出相位噪声小于-102 d Bc/Hz@100KHz、-130 d Bc/Hz@1MHz,功耗小于33 m W,在带宽和相位噪声性能方面具有较大优势,为亚采样锁相环的相位噪声优化奠定了良好的技术基础。亚采样鉴相器采用NMOS开关电容实现,针对采样电路BFSK效应恶化亚采样锁相环参考杂散的问题,加入了由反相时钟信号控制的Dummy模块,保证压控振荡器输出端电容恒定,抑制了振荡器频率变化引起的杂散问题。亚采样电荷泵采用脉冲信号产生电路控制电荷泵增益,有利于亚采样锁相环环路滤波器的集成,与亚采样鉴相器联合仿真,得到了近似-229 d BV/Hz@1MHz的相位噪声。针对锁频环中电荷泵非理想效应带来的不匹配问题,研究了低电流失配的电荷泵的分析与优化方法,设计了一个可调电流阵列的源极开关型电荷泵,采用互补晶体管开关和单位增益运放结构来获取高精度的电荷泵电流,电流失配小于0.2%,PFD与CP联合仿真的电流噪声值为-222.9 d BA/Hz@100KHz,-224.0 d BA/Hz@1MHz,具有良好的匹配特性和噪声特性,有力支撑了亚采样锁相环的相位噪声优化。针对亚采样锁相环在锁频环和亚采样环切换可能存在不稳定的问题,本文提出亚采样锁相环的软切换方案,通过加入回路增益开关控制电路,减小了整个切换过程中增益和相位裕度的波动,从而极大地提高了稳定性。本文基于SMIC 55 nm工艺,在Cadence平台完成了亚采样锁相环的版图设计和系统仿真。锁相环的频率锁定范围为2.2-4.4 GHz,整体的直流功耗为36 m W、芯片面积为0.51 mm~2,锁定时间小于5μs。在4.4 GHz频率处进行噪声拟合,得到亚采样锁相环的输出相位噪声为-117 d Bc/Hz@100KHz,-125 d Bc/Hz@1MHz,整个S波段内相位噪声性能优异。该研究工作从亚采样锁相环系统建模、关键电路模块优化、环路稳定性等方面详尽论述了亚采样锁相环相位噪声与锁定范围的优化方法与技术,仿真结果验证了研究的有效性,对于亚采样锁相环的研究与设计提供了良好的指导思路。