锁相环是现代通信系统中的关键模块,并且随着集成电路技术的发展而得到广泛的工业应用。锁相环的应用领域主要包括射频收发信机中的频率合成器、高速数据通信与光纤通信中的时钟与数据恢复电路和微处理器与数字信号处理器中的时钟合成器等。由于电荷泵锁相环具有频率获取能力、理论上无限大的频率牵引范围和零静态相位误差,因此电荷泵锁相环成为了现代最流行的锁相环结构。本文首先简述了锁相环的历史、发展与应用,并紧接着论述了电荷泵锁相环的重要性。针对电荷泵锁相环的具体特性和不同应用场合的特殊要求,本文引出了整数分频频率合成器、分数分频频率合成器、△Σ分数分频频率合成器和时钟与数据恢复电路这四种结构的电荷泵锁相环。在引出上述四种结构的电荷泵锁相环后,本文把这四种结构的电荷泵锁相环中的所有电路模块进行了分类,紧接着按照鉴相器与分频器、电荷泵与环路滤波器和压控振荡器这三部分对电路模块进行具体的研究,设计了鉴频鉴相器、Hogge 鉴相器、Alexander 鉴相器、前置动态除2 分频器、双模分频器、单端电荷泵、差分电荷泵、一阶无源环路滤波器、二阶无源环路滤波器、三阶无源环路滤波器、运算放大器和电压控制振荡器等电路模块,分析了电压控制振荡器的相位抖动,并且仿真验证了所设计的电路模块的功能。由于定量分析研究电荷泵锁相环的性能必须要有一个合适的模型,本文对电荷泵锁相环的特性进行分析得出电荷泵锁相环是一个离散时间采样的非线性系统。为了便于分析,本文对电荷泵锁相环采用连续时间近似和线性近似得出了一个线性连续的相位域传输函数模型。最后在系统级对电荷泵锁相环进行了设计,并且对比了二阶电荷泵锁相环、三阶电荷泵锁相环和全差分三阶电荷泵锁相环的性能。同时为了验证所设计的电荷泵锁相环,本文建立了包括电荷泵锁相环非线性本质和离散时间特性的行为模型,并且进行了仿真验证。