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随着大规模集成电路技术的迅猛发展，无线收发机射频前端电路实现单片集成已经成为可能。这些单片集成的无线收发机射频前端采用低中频或零中频架构，通过正交混频，抑制镜像干扰。作为低中频和零中频无线收发机射频前端中的重要组成模块，正交频率合成器为无线收发机提供稳定的、正交的、输出频率可编程的本地振荡信号，其性能在很大程度上决定了整个无线收发机系统的性能。因此，设计一个快速锁定、低相位噪声与毛刺、输出四路匹配正交信号的正交频率合成器对于实现高性能的无线收发系统至关重要。本论文目标是基于TSMC0.18μm RFCMOS工艺，设计一个输出四路正交本振信号的频率合成器，用于2.4GHz频段的无线通信系统中。文章从基本理论、电路级、系统级和版图实现四个方面来详细阐述频率合成器的设计。首先介绍了正交频率合成器的应用领域，列举了几种产生正交本振信号的方法，最终选用了通过二分频来产生正交本振信号。建立了频率合成器的线性模型，并依据此线性模型对频率合成器的噪声进行分析，为低相位噪声频率合成器的实现提供了理论指导。在对正交频率合成器中各模块进行理论分析和考虑各种非理想因素的基础上，在CADENCE环境下完成了4.9GHz LC压控振荡器、电荷泵、鉴频鉴相器、高频除二分频器和16/17双模预分频器的设计和仿真。在前人已有理论的基础上，总结了二阶环路滤波器和三阶环路滤波器的设计方法，利用MATLAB设计了一款环路滤波器的设计软件。提出了一套频率合成器的系统仿真和优化方法，在ADS下建立了频率合成器的系统仿真模型，大大降低了频率合成器系统仿真的时间消耗。对于数模混合电路版图优化方法进行了总结，在此基础上，利用Virtuoso完成了正交频率合成器中各模块的版图设计。最终系统仿真结果表明，在输出频率跳变10MHz时，正交频率合成器的锁定时间约为59μs，2.45GHz处的相位噪声性能为：-87.2dBc@10kHz、-94.4dBc@100kHz、-121.8dBc@1MHz、-136.6dBc@5MHz，达到了预期的性能指标。