锁相环控制系统是使用反馈原理，实现相位自动控制的系统。锁相的目的在于通过反馈调节使输出信号相位锁定或跟踪输入信号的相位变化，其结果是使相位误差尽量地小。根据频率与相位的变换关系，在相位差固定的情况下，频率差为零，因此锁相环可以实现两个信号的相位同步，频率相同。由于其具有很多优良特性，现广泛应用于各种电子设备尤其是近年来飞速发展的SOC系统中。 本论文的研究工作得到天津市科技发展计划科技攻关专项项目“SOC用锁相环IP的开发”的支持。本论文在已有的锁相环理论基础上，经过研究和查阅国内外大量文献，对其性能和设计结构进行了更深入的研究。 本文借助于控制理论和信号分析等数学工具，分析研究了锁相环系统的基本方程与模型。引用线性化分析概念，对锁相环路进行线性化分析及基本传递函数推导。同时针对常用的二阶锁相环路进行实际的动态特性分析，给出其动态模型，分析环路各种特性间的制约关系，作为锁相环系统结构及电路设计的基础。 由于互补性氧化金属半导体CMOS工艺具有工作电压范围宽、静态功耗低、抗干扰能力强等优点，所以本文锁相环系统的研究工作是在0.13umCMOS工艺的平台上设计高性能锁相环系统，在国际上也属于先进的制造工艺，在国内锁相环路系统的研究中也还未有成功开发的报道。 本文在分析和借鉴国内外锁相环设计的基础上，研究和设计出新型的采用CMOS电荷泵锁相环结构的锁相环系统。首先对其进行数学建模和动态特性分析，作为指导具体设计的前提。然后具体阐述其结构中包含的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器及压控振荡器的工作原理及主要性能要求，根据要求给出各部分的具体电路设计及仿真结果分析。同时在CMOS模拟电路设计理论的指导下，对电荷泵锁相环系统性能进行了优化，解决了电路延时、电流不匹配、数模电压间转换、寄生电容等问题。提出使用带隙基准电压源改进整体系统环路特性的方法，并取得很好的效果。 最后，本文还针对SOC系统，提出一种针对视频和平板显示领域的SOC芯片中，必须用到的锁相环IP。此锁相环IP模块使用电荷泵锁相环系统作为基础模块，同时具有新型的双锁相环结构，可以提供从13MHz到250MHz的宽频率范围输出。本文具体给出其原理模块、功能说明、接口说明、系统初始化动作方式及测试控制方式。