频率合成器能够产生稳定的周期性信号,用来给数字系统提供时钟信号或者给射频收发系统提供本振信号,是集成电路中最重要的电路模块之一。频率合成器的建立时间、参考杂散、功耗以及面积等是其核心指标。随着工艺节点的演进,基于LC振荡器的传统电荷泵锁相环所消耗的面积成本在整个系统中的占比将会越来越大,而面积较小的环形振荡器在相同功耗下的相位噪声性能远差于LC振荡器。因此,低抖动、紧凑型的频率合成器成为了近年来集成电路设计领域的研究热点。本文的主要工作和创新点:1)从传统电荷泵锁相环的系统模型以及基本电路模块出发分析了II类锁相环的系统参数设计方法及相位域模型,详细分析了适用于低抖动频率合成器的亚采样技术、亚谐波注入锁定技术以及开环频率技术,从而提出了亚谐波注入锁定锁相环与开环频率合成器级联的小数频率合成器架构,其中第一级利用亚谐波注入锁定锁相环的宽带特性实现对于环形振荡器相位噪声的充分抑制,第二级采用开环频率合成系统实现高分辨率、频率快速切换的小数频率合成,通过行为级仿真验证了系统设计的合理性;2)基于相位对齐理论建立了亚谐波注入锁定锁相环线性模型,改进设计了一种基于亚采样鉴相器的亚谐波注入锁定锁相环实时频率跟踪环路;3)提出了一种基于注入锁定环形振荡器的低功耗、高分辨率的数字相位调制器,在此基础上搭建了基于相位切换的开环频率合成系统,仿真结果表明动态范围为2π,相位分辨率可以达到10比特,在整个动态范围内差分非线性小于0.8LSB,当输入频率为450MHz时功耗为0.8mW;4)提出了一种近阈值供电电压下抗电源电压噪声以及工艺角变化的前馈型环形振荡器,通过检测由工艺角变化引起的MOS管阈值电压的变化结合电源电压的变化得到一个补偿电压,进而改变振荡器的电容负载实现对上述因素引起的频率漂移的补偿,仿真结果表明对于由工艺角引起的振荡器中心频率变化由38.3%降低到了1.5%,电源敏感度由2.5降低到了0.12;5)提出了一种低功耗宽调谐范围的两级环形压控振荡器结构,通过在输入端与输出反相端插入电阻提高振荡器频率,结合电流及交叉耦合反馈强度的调谐方式实现了电源到地的线性电压调谐范围,测试结果表明整个振荡器的调谐范围可以达到0.86GHz~1.38GHz,功耗小于1.1mW,该方案在TSMC 40nm工艺下进行了流片验证。基于TSMC 28nm CMOS工艺设计了低抖动紧凑型小数频率合成器的电路与版图,并进行了流片验证。测试结果表明:内核面积为200μm×400μm,输出频率范围为300MHz~540MHz,频率分辨率小于1KHz;0.9V电源电压下亚谐波注入锁定锁相环输出为440MHz时功耗为0.6mW,100KHz频偏处相位噪声约为-100dBc/Hz,均方根抖动误差为3.8ps,品质因子(FoM,Figure of Merit)为-230.6dB;整个频率合成器的功耗输出为440.4MHz时为2.7mW,100KHz频偏处相位噪声约为-85dBc/Hz,均方根抖动误差为17.6ps,FoM为-210.9dB。