随着科技的迅速发展,无线通信系统逐渐应用于人们生活中的各个角落。5G毫米波时代的到来,无线通信收发机系统设计愈发重要,作为收发机中的重要模块,锁相环提供着上下变频本振信号的作用,其性能优劣制约着整个收发机系统接收信号的好坏。CMOS工艺以其集成化高、成本低,有着其天然的优势,因此针对CMOS锁相环关键技术的研究与设计意义非凡。本文基于CMOS工艺,完成了压控振荡器、分频器、小数锁相环的设计。全文首先对锁相环进行了历史发展脉络以及国内外研究现状情况的调研,分析了目前研究的不足以及存在的问题,最后对于CMOS锁相环的理论进行了相关研究与探讨,详细分析了CMOS锁相环的系统特性和性能指标,最后分析了锁相环中每一个模块的设计要点和急需解决的问题,最后完成了以下几部分模块的设计。针对越接近毫米波频段,CMOS器件的闪烁噪声越明显,随着工艺尺寸的降低,闪烁噪声大大的恶化了压控振荡器的近端相位噪声,本文分析了传统尾电流源式Class B压控振荡器闪烁噪声形成机理,并根据学者对其改进带来的缺陷进行分析,提出尾电阻式压控振荡器,消除了产生闪烁噪声的源头,降低了闪烁噪声的传播;其次根据噪声传递函数理论,分析了闪烁噪声的传递函数,发现通过波形整形可以降低闪烁噪声,于是分析了宽带情况下的阻抗问题,通过设计宽带网络使得二次谐波阻抗在一定带宽内均呈现阻性,有效的降低了闪烁噪声。针对5.8GHz动目标检测雷达分频器设计,由于分频器是锁相环中占用功耗比较大的器件,因此在分析了CML分频器和TSPC分频器的工作模式及特点后,设计了工作在5.3-6.1GHz下的低功耗八分频器。针对24GHz汽车雷达的应用场景,合作研究并设计了24GHz小数锁相环,完成了系统以及数字校准环节的设计。首先数字频率自动控制环节,在多子带,宽频带的情况下,开环优先校准子带,之后关闭频率校准,然后开始锁相环节。其次关键模块中,压控振荡器采用噪声循环结构,分频器采用CML和TSPC的结构,低频部分采用数字分频器和多模分频器,DSM（Delta Sigma Modulator）通过调谐多模分频器实现小数分频。