位于西藏羊八井的大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO, Large High Altitude Air Shower Observatory)是规划中的一个大型地基宇宙线观测实验。LHAASO中的水切伦柯夫探测器阵列(WCDA, Water Cherenkov Detector Array)是整个实验的一个重要子探测器。读出电子学系统需要完成对WCDA共3600路光电倍增管(PMT, Photomultiplier Tube)的读出,并同时测量PMT信号的电荷和时间信息。LHAASO的WCDA测量范围为单光电子到4000光电子,其中单光电子电荷测量精度要求好于50%,4000光电子时要求测量精度好于5%。本论文针对LHAASO的要求,研究并设计分布式架构中的前端电荷时间转换芯片,实现对4000倍动态范围电荷的测量。第一章简单介绍宇宙线的探测历史及主要的探测技术,并介绍了基于地面观测和空间探测的一些国际上的大型宇宙线探测实验装置。然后特别介绍了本论文针对的LHAASO实验以及其WCDA阵列。第二章结合一些典型的电荷测量芯片如SFE16、NINO及CLC101等介绍了几种常用的电荷测量方法,并分析了各自的优缺点。最后还介绍了粒子物理实验中典型的时间数字化技术。时间数字化一方面可以用于测量信号触发时间,另一方面对于基于TOT技术的QTC芯片,可用于测量甄别器输出脉冲的宽度,从而完成电荷测量。第三章根据LHAASO的WCDA的电荷测量需求,结合几款QTC芯片如SFE16和CLC101的特点,制订本QTC芯片的整体设计方案。同时对电路的关键部分进行原理性的验证分析。第四章则在此基础上,介绍各主要电路模块的实现,并对各模块进行仿真分析。这些主要模块包括运放、LVDS输出驱动、甄别器及DAC等。除了这些电路基本模块,还对一些电路参数的选取进行了讨论。第五章与第六章分别对四个通道进行了前、后仿真分析。分析给出了各通道的电荷测量精度曲线,并对基线涨落,电路的噪声指标等进行了讨论。第六章还介绍了本芯片的整体版图设计以及封装的相关信息。第七章介绍了针对此QTC芯片,需要完成的测试,并根据该目标设计了测试用的电路板。依靠该测试电路板以及后端基于HPTDC的时间数字化电路板,对芯片的第一通道进行一系列初步的测试,得到了精度等指标。考虑噪声和输入信号脉宽变化时,该通道满足5%测量精度的下限约6.54mV。其他几个通道基本工作正常,具体性能测试正在进行中。第八章介绍了基于输入电流对电容线性充放电方法的QTC方案,并对电流甄别器、数字控制逻辑等几个核心电路模块进行了分析和讨论。本章同时给出了该方案的一些初步前仿真结果,并提出了尚需进一步解决的几个问题。在对成形放大TOT方案有了初步的测试和分析,以及对电流充放电方案有了基本的仿真后,本文第九章对这两种TOT路线给出了扼要的总结。