锁相环频率综合器是无线通信系统中的关键模块,其具有输出信号频谱纯净、功耗低、实现和应用成本低等特点,因此被广泛应用在射频前端无线收发机中为发射端基带信号上变频或接收端射频信号下变频提供本振信号。此外,无线收发机中的通信信道选择也是由频率综合器来完成的。随着当前无线通信的快速发展和智能便携终端的广泛普及,采用先进CMOS工艺制造的全集成收发机SOC已经成为低成本无线设备的主流选择,并且正在向更低的功耗,更高的集成度、更多的通信模式和功能方向不断迈进。因此必须设计具有宽输出频率范围的低功耗、低相位噪声锁相环频率综合器来适应以上的趋势。本文围绕低电压锁相环频率综合器设计所面对的挑战展开,着重对其中关键模块的电路设计进行了研究。本文的主要工作包含以下几个方面:首先研究了锁相环频率综合器的系统设计方法,通过建立锁相环的S域线性时不变(LTI)系统模型来分析和研究环路的动态特性和稳定性,并且以之为指导来设计高阶环路滤波器。此外,通过推导环路内部各模块噪声转换为相位噪声的传递函数,得到了整数分频和分数分频锁相环的相位噪声分析模型,运用此模型可以在系统顶层设计时就对相位噪声进行优化。低电压条件下传统B类VCO的性能会发生严重退化,而在理论上更适合低电压应用的C类VCO却存在可靠性差、振幅和相位噪声对PVT变化和频率调谐过程敏感等问题。为了解决这些问题,本文提出了一种新的C类VCO结构,包含两个控制环路。一个低频共模信号反馈环路用于将交叉耦合对晶体管偏置在C类工作模式,另一个振幅信号反馈环路用于控制振幅并使之稳定。得益于创新的双反馈环路设计,本文提出的VCO能在起振时产生时变的谐振腔偏置电流,从而具有与传统B类VCO相似的启动过程,在可靠性方面获得了显著的提升。此外,该新型VCO还具备振幅调节功能,能在实际应用根据特定需求来设置最佳工作点,实现功耗和相位噪声指标的优化。为了验证新VCO结构的有效性,本文采用0.18μm CMOS工艺设计并实现了一款双环反馈C类VCO原型芯片。测试结果显示:该原型VCO的频率调谐范围为4.55-5.16GHz,在1.5V电源电压下芯片功耗为2.78mW。当工作在5GHz振荡频率时,距离载波频率1MHz频率偏移处的相位噪声是-123.3dBc/Hz,对应得到的FOM值为-192.8dBc/Hz。本文针对低电压应用提出了一种输出电流可编程高性能电荷泵。该电荷泵由两个子电荷泵组成,其中每个子电荷泵利用反馈控制和复制偏置技术来保证各自的输出电流具有精确的匹配性。在宽输出电压范围内,这两个子电荷泵的输出电流被设计成具有相反的变化趋势,因此利用电流求和结构就能使两者的变化相互补偿,从而得到恒定的总输出电流。该电荷泵采用0.13μm CMOS工艺设计,能编程输出50μA到1.55mA的电流,并以50μA为调节步进。在1.2V电源电压下,输出电压从0.1V变化到1.05V时,后仿结果显示该电荷泵输出总电流的失配率和变化率不超过0.15%和5%。近乎理想的电流匹配特性能将参考杂散减小到尽可能低的水平,同时还能将电荷泵引起的环路非线性降到最低,而良好的输出电流稳定性则有助于环路带宽保持恒定。关于频率综合器中其他关键模块的研究,例如鉴频鉴相器、数字ΔΣ调制器、可编程分频器、双模预分频器等,在本文的相关章节做了详细讨论。最后,采用0.13μm CMOS工艺设计并实现了一款分数分频锁相环频率综合器原型芯片,面积为1.68mm2。其中VCO采用本文提出的新型结构,频率调谐范围是4.4-5.4GHz。频率综合器输出的正交I/Q信号是VCO输出信号的二分频结果,能覆盖2.2GHz到2.7GHz的频率范围。该锁相环频率综合器采用MASH1-1-1结构的数字ΔΣ调制器来实现分数分频功能。测试结果显示:在1.2V的电源电压下,频率综合器原型芯片的总功耗为12.5mW,在要求的输出频率范围内,距离载波1MHz频率偏移处的相位噪声不超过-122dBc/Hz,而且参考杂散和分数杂散均未超过-70dBc。