卫星导航定位系统是以人造地球卫星作为导航台的无线电导航系统,它在国民经济建设、军事和国防领域都有着极其重要的作用。地面接收终端是用来接收卫星导航信号,将信号进行算法处理,解析出定位坐标的用户端设备。对于接收终端而言,锁相环是其中至关重要的模块,其性能与整个导航接收机射频前端芯片的性能息息相关。本文即围绕导航接收机中双模小数分频锁相环的设计展开。首先介绍了小数分频锁相环的构成,各模块的工作原理以及主要的性能指标。推导锁相环的系统传递函数,建立线性化模型,进行环路的系统参数设计。将系统参数代入Matlab中进行稳定性仿真,并利用Simulink建模进行行为级仿真。基于锁相环的相位噪声线性传输模型,通过拉式变换获得各模块的等效输出相位噪声。利用Matlab将各噪声源拟合得到锁相环系统的输出相噪曲线,进而指导模块电路的设计。基于锁相环系统的分析和设计,开始具体电路的实施。详细分析了鉴频鉴相器的“死区”和“盲区”效应,以及电荷泵的电荷泄漏、电流失配、电荷注入、时钟馈通、电荷分享等非理想效应。阐述了压控振荡器的结构选取与设计原则,除2分频器的设计方法,可编程分频器的实现方式,∑-Δ调制器的噪声整形,自动频率校正电路的原理、结构和算法描述。根据理论分析指导电路的设计,并利用Cadence Spectre、Matlab、Spectre Verilog-AMS等仿真软件逐一进行仿真验证。采用GSMC 0.13μm 1P7M CMOS工艺进行电路设计和版图绘制,整个锁相环的芯片面积为4.06×0.91mm2,其中∑-Δ调制器和自动频率校正电路的版图采用半定制设计方法,其他模块的版图采用全定制设计方法。利用Cadence公司的Or CAD Capture工具设计了芯片的测试PCB,对流片后的导航接收机芯片进行测试。测试结果表明,锁相环可以正常工作在1.2V电源电压下。1.2GHz锁相环的频率调谐范围为0.96GHz～1.38GHz,其带内噪声为-88d Bc/Hz@10KHz,带外噪声为-93d Bc/Hz@100KHz,-117d Bc/Hz@1MHz,10KHz到1MHz的RMS jitter为0.3ps。1.5GHz锁相环的频率调谐范围为1.13GHz～1.71GHz,其带内噪声为-87d Bc/Hz@10KHz,带外噪声为-92d Bc/Hz@100KHz,-115d Bc/Hz@1MHz,10KHz到1MHz的RMS jitter为0.5ps。满足导航接收机性能指标要求。