随着3D成像技术的不断发展,基于飞行时间(Time of flight,TOF)法的图像传感器因具有体积小、精度高、成像速度快等特点,近年来已经成为该领域的研究热点。锁相环电路(Phase locked loop,PLL)作为TOF图像传感器的核心模块,其性能是决定传感器成像距离与测距精度的关键因素。因此,对于TOF图像传感器的锁相环电路研究具有重要意义。本文通过对TOF图像传感器的成像原理及测距方法的研究与分析,设计了一款应用于TOF图像传感器的锁相环电路。结合实际应用需求及对几类锁相环结构的分析对比,本文设计的锁相环采用电荷泵结构,实现了快速锁定、宽输出范围的设计指标。电荷泵锁相环电路由鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器、分频器组成。在电荷泵的设计中,对共源共栅电荷泵结构进行了改进,有效提高了电流的匹配精度及电路充放电速度;在压控振荡器的设计中,采用了自偏置的差分环形振荡器,有效实现了宽输出的频率范围及抑制了电路噪声干扰;在滤波器的设计中采用无源结构,在实现电路稳定性的同时降低了版图面积。本文采用UMC 180nm工艺完成了应用于TOF图像传感器的锁相环设计,对电路进行了仿真分析及版图验证。结果表明:该锁相环电路工作于1.8V电源电压下,对于10MHz-25MHz范围的四类输入参考频率,振荡输出频率为129.83MHz-1.34GHz,锁相环电路仅在2.4μs内就能实现稳定,锁定频率达到600MHz。经分频模块实现20MHz、25MHz、50MHz、75MHz、100MHz多频率可调输出,实现了 1.5m-7.5m范围的测距需求,电路整体相位噪声为-104.74dBc/Hz@1MHz,系统功耗11mW,版图有效面积为480 μm×310 μm。