为探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究,由中国科学院高能物理研究所提出建设的大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO),将是世界上五大宇宙射线研究站之一。其中的水契伦科夫探测器阵列(Water Cherenkov Detector Array, WCDA)是其主要探测装置之一,其基本原理是通过光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)探测空气簇射形成的次级粒子在水中所产生的契伦科夫光。WCDA占地共9万平方米,共包含3600个PMT单元,测量动态范围为单光电子(1Photo Electron (PE))到4000光电子。对应地要求其读出电子学在4000倍的动态范围内实现高精度的时间和电荷测量,时间测量精度要求好于500ps,电荷测量精度要求好于30%@1PE,3%@4000PE。为简化WCDA读出电子学系统结构,本论文基于电流型过阈时间法(Time-Over-Threshold, TOT)进行了前端读出专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit. ASIC)的研究和设计,将前端所有模拟电路集成在单个芯片中。论文整体结构如下。本论文第一章介绍了宇宙射线背景知识以及LHAASO实验的科学研究意义和探测器阵列的结构,其后重点介绍了其中的WCDA及其读出电子学的结构,包括WCDA的工作原理,PMT输出信号特征,以及读出电子学整体架构等。第二章首先介绍了物理实验读出电子学中典型的时间和电荷测量方法,并比较了集成电路中电流模和电压模两种信号处理方法的特点,然后调研了国际上代表性的PMT读出ASIC,并且分析对比了它们的技术路线和性能指标。针对LHAASO WCDA读出电子学的性能要求以及PMT输出信号特点,第三章对待研究ASIC的设计方案进行了讨论,并确定了电流型TOT的基本技术路线。时间测量采用电流型前沿定时技术,其输出同时作为电荷测量中线性充放电过程的控制信号。此ASIC输出经后端时间数字变换电路(Time-to-Digital Converter, TDC)处理后,即可同时实现时间和电荷的数字化。第四章重点介绍了该ASIC的核心技术方法：通过对前置放大器输出信噪比的优化保证测量精度；设计高线性度的基于翻转电压跟随器结构的电压电流转换电路以提高电荷测量性能；使用电流舵DAC配置电流甄别器的阂值来提高芯片使用的灵活性；设计单稳态电路用于控制电荷测量的充放电过程以提高电荷测量线性度。第五章介绍了该ASIC整体的系统前仿真结果,包括功能仿真、时间及电荷测量等。其中重点介绍了芯片时间和电荷测量精度的分析模型和相应仿真结果。仿真结果表明,在单光电子信号输入时,时间测量精度好于150ps,而电荷测量精度好于4%。论文第六章介绍了该ASIC的版图设计、系统的后仿真结果以及封装的考虑。该PMT读出ASIC采用Global Foundry0.35μm CMOS工艺,尺寸为3mm×3mm,单芯片共集成6个信号通道,对应3个PMT的读出。后仿真结果表明此ASIC在单光电子信号输入时,其时间测量精度好于200ps,电荷测量精度好于5%,满足设计指标要求。第七章主要介绍了此ASIC的测试方法和实验室性能测试结果。初步测试表明,此ASIC各通道的时间测量精度均好于300ps,电荷测量精度在单光电子信号输入时好于15%,4000光电子输入时好于1%,好于设计目标。