红外成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点,在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用,而最终成像系统的应用价值取决于能否对图像信息进行充分的提取与利用。本文所设计的频率综合器就是应用于一款基于SOC技术架构的图像处理芯片,作为其中的关键模块,提供读取红外焦平面阵列数据时所需的时钟。本文从分析锁相式频率合成器的工作原理出发,对其体系结构及各个模块都进行了行为建模与分析,在此基础上进行了系统设计,对电路参数进行了优化设计,并且分析了系统的噪声来源同时提出了减小压控振荡器噪声的方法。接下来根据系统所要求的功能和性能设计了应用于红外图像处理芯片的频率合成器,通过输入分频器、输出分频器和可编程分频器实现了频率的数字可编程调整;同时,通过两输出时钟和D触发器延迟实现了相位的偏移。具体设计了相应的电路:使用有延迟单元的鉴频鉴相器来消除死区;使用差分结构的电荷泵、双环路滤波器结构和差分信号控制的压控振荡器来尽可能的减小压控振荡器控制信号上的噪声,优化了输出时钟性能;采用随分频器系数逐级递增充电电容的锁定检测电路来保证锁定检测信号能够可靠、准确的输出。最后给出了在GSMC 0.18μm 1P5M CMOS混合信号工艺下,各个模块以及整体的仿真波形及版图。电路最终实现了2MHz-13.5MHz的时钟输出,以步长1/16MHz为单位进行变化,且能够以1/16周期为步长进行相位偏移。在典型情况TT、1.8V电源电压、温度25℃时,输出3MHz的时钟周期抖动峰峰值为200ps,实现了较低的抖动。