ATLAS（AToroidal LHC ApparatuS,超环面实验仪器）是欧洲核子中心（CERN）大型强子对撞机（Large Hadron Collider,LHC）上的四大探测器之一,是世界上最大的通用粒子探测器。它在2012年发现希格斯玻色子以及寻找超越标准模型的粒子物理学理论证据等方面起到了至关重要的作用。内部探测器（Inner Detector）是ATLAS的重要组成部分。在高能物理实验中,粒子碰撞产生高强度的辐照效应会导致电子学系统失效,而常规的商用芯片无法满足实验中的抗辐照需求。特别是在ATLAS二期升级阶段,LHC升级为高亮度LHC（High Luminosity LHC,HL-LHC）,其亮度将提升至7*1034 cm-2s-1。更高的亮度会导致更庞大的数据量以及更严重的辐照伤害。同时,现有的内部探测器将由新的内层硅像素径迹探测器（Inner Track,ITk）所取代。因此,设计高抗辐照、高可靠性和高工作速率的内层径迹探测器数据读出链路是ATLAS二期升级中的重要研究方向。本文的主要研究工作是设计应用于内层径迹探测器读出系统的信号链路方案,并解决其中的关键技术,在此基础上完成了两版应用于该信号链路的高速数据收发芯片的设计任务。该链路采用长距离电信号和光纤通信相结合的方式实现高速数据传输,也是该方案在高能物理实验中的首次应用。作为该链路的电信号传输部分中的关键模块,数据收发芯片在接收端提供了高强度和宽范围的均衡特性保障传输质量。此系列芯片被命名为GBCR（Gigabit Cable Receiver）,其主要作用是接收并恢复经过长距离传输的探测器数据,并将发送给探测器端的电信号预加重,使其经长距离电缆传输后能完成有效恢复,从而实现数据收发功能。具体研究内容和创新点如下:1.实现了一种超高辐照下的探测器数据读出链路解决方案,该方案采用电信号链路与光纤通信相结合的方式实现探测器前端数据与远距离后端电子学系统的数据通信。在新的ATLAS内层径迹探测器数据读出链路中,由于辐照强度的影响,处理数据的计算室与探测器之间必须保有数米左右的距离,而通常情况下,大规模远距离数据传输中,带宽的限制导致光纤传输是数据传输方案中为数不多的选择。但由于半导体光敏器件无法放置在超高辐照环境下,因此需要额外设计一条从探测器到激光驱动器之间的电信号链路,本文研究的CMOS专用集成电路就是应用于该电信号链路的数据收发工作。虽然CMOS器件相较于半导体光敏器件拥有更好的抗辐照特性,但在高辐照下依然会由于单粒子效应和电离总剂量效应带来辐照损伤。为此除了采用更先进的商用65 nm CMOS工艺之外,在设计上通过选取更大尺寸的MOS管以及封闭式布局晶体管版图设计等多种方法提升电路的抗辐照能力。另外,芯片内所有模块均采用三模冗余技术,有效减少了单粒子翻转概率。经测试,整体数据链路在200 kGy的超高辐照剂量下能够正常工作。2.解决了在有限空间内实现高强度和宽范围的关键均衡技术,实现了针对多种长度且直径仅为0.16 mm的极低质量传输线的多通道均衡器设计,且其速率高达5.12 Gbps。首先,由于量能器位于内层径迹探测器后,传输线质量将影响量能器测量精度,因此传输线材料用量越少越好,但细的传输线会带来严重的高频衰减。其次,由于需要在3 mm2面积内构建多数据通道,面积限制要求均衡器能够在有限的空间内实现高均衡强度。第三,传输线种类以及长度差异也带来不同程度的高频衰减,所以均衡器必须具有可调节的均衡强度以应对不同使用环境。经测试,1米柔性电路板与直径为0.16 mm、长度为6 m的双芯同轴电缆的共同作用将给信号在1.28 GHz处带来24 dB的高频衰减。故将均衡器设计成4位编码控制,使其均衡强度范围可达8 dB至30 dB。另外,采用多级有源均衡器级联方法,避免了均衡强度过大而带来的低频分量过度衰减问题。测试结果表明,均衡器幅频特性在低频段的增益最小值只有-5 dB。最后,为了避免出现可能的工艺失配,设计中添加了直流失调消除电路,该电路采用低通滤波结构,经验证,其上限截止频率为115 kHz,远低于信号频率1.28 Gbps,有效减少了直流失调带来的眼图不对称现象。3.提出了低功耗和低抖动的数据通道设计方案,该方案采用片外时钟与片内高精度移相器共同完成数据重定时操作。方案避免了在单通道中使用高功耗的时钟数据恢复电路,而且仅通过一个移相器即可完成7个通道的时钟供给任务,极大降低了芯片的整体功耗。重定时操作则有效消除了数据传输过程中累积的码间干扰,实现了低抖动的设计需求。另外,在输出级采用可编程的尾电流源驱动器结构,在保证输出信号幅度的同时有效降低了数据通道的功耗。经测试对比,采用以上措施后的GBCR2整体功耗仅为72mW@1.2 V。与GBCR1（312mW@1.2V）相比,整体功耗下降了 76.g%,与普通商用均衡器芯片LMH0344（280 mW@3.3 V）相比,整体功耗下降了 74.3%。目前,两版芯片均完成了基本测试工作,且GBCR1完成了辐照与系统级测试。测试结果显示,两版芯片的各项性能优异,与仿真结果高度匹配,且在抗辐照、均衡强度以及功耗等关键点上表现突出,很好地完成了芯片的设计指标。后续GBCR2将实际应用于ATLAS内层径迹探测器读出链路中。