随着通信技术的发展,高速串行接口广泛应用于以太网、车载芯片和卫星通讯等领域。由于时钟抖动会对高速数据传输的误码率产生直接影响,那么高频且精准的时钟产生电路自然就成为高速串行接口的核心模块。锁相环具有低抖动和易集成等优点,常被用作时钟产生电路。本论文主要工作是为一款半速率8 Gbps的高速串行接口提供内部时钟,针对其数据传输的极高准确性、极低误码率的工程问题,设计开发一种频率约为4 GHz且具有低时钟抖动的锁相环。本文聚焦于高速串行接口对时钟低抖动的要求,首先提出了一种粗细调相结合的四阶双环路锁相环架构,该结构通过滤除鉴频鉴相器和电荷泵的调频噪声以及抑制锁相环带宽十倍以上的纹波,从系统结构上降低了锁相环输出时钟的抖动。接着设计了一种带高增益误差放大器的双反馈环路低电流失配电荷泵,在稳定不同工艺角下的充放电电流值的同时将充放电电流失配降低至0.02%,有效降低电荷泵电流失配带来的抖动,并且该电荷泵实现了接近轨到轨的输出电压范围,拓展了锁相环的调谐范围。另外也设计并实现了一种与锁相环结构相对应的粗细调三级环形压控振荡器,保持宽调谐范围的同时减小了压控增益,降低了压控电压纹波对输出抖动的影响。由于环形振荡器对电源噪声比较敏感,设计了低压差线性稳压器为压控振荡器提供纯净且稳定的电源,降低了电源波动对锁相环输出时钟抖动的影响。本文利用Matlab工具对锁相环稳定性进行了建模分析,确定了锁相环的传输函数和系统参数,并分别基于开环系统稳定理论和闭环系统稳定理论以及Verilog-A模型对这组参数下的环路稳定性进行了验证。最后基于SMIC 180nm CMOS工艺,在Cadence平台完成电路和版图的设计。版图后仿真结果表明,锁相环的输出频率是4 GHz,锁定时间约为7μs,相位噪声低至-107.97 d Bc/Hz@1 MHz,RMS抖动低至0.72 ps。杂散低于-75 d B,功耗为24.7 m W,版图面积为0.156 mm~2,满足本设计中高速串行接口的需求,达到了预期设计目标。