粒子物理实验是探索微观物质结构与相互作用的基本方法。其中大型强子对撞机（Large Hadron Collider,LHC）是目前人类建造的最大的粒子物理实验装置,至今已取得了丰硕的科研成果。但是物理学家对更深层次物理模型的追求从未停止,为了进一步探索未知的粒子物理现象,近些年LHC计划通过一系列的升级提升其亮度,使之能够更加有效地进行实验。高亮度升级带来更多对撞事例的同时,也会导致大量的无效事件,称为堆积背景事件,这会为重建带来困难。为了应对堆积带来的挑战,LHC中的超环面仪器（A Toroidal LHC ApparatuS,ATLAS）以及紧凑μ子线圈（Compact Muon Solenoid,CMS）实验团队提出了一种基于高精度时间测量结合位置信息的粒子探测方式,提升对不同对撞事件的区分度,从而剔除大量的无效对撞事例,使得对有效事例重建更加准确。在此背景下,一种名为低增益雪崩探测器（Low-Gain Avalanche Detector,LGAD）的新型硅基半导体探测器,其预期可以实现高时间精度,单通道尺寸低至毫米级,可以满足上述时间精度与空间分辨率的需求,并且在未来其他粒子物理实验装置中具有潜在的应用价值,因此是粒子物理实验探测技术领域目前正在积极投入研究的一个重要方向。为了发挥LGAD同时在高时间精度和高空间密度的优势,需要相应地开展高颗粒度、高时间精度的电子学研究。由于LGAD的通道空间密度高,前端电子学的面积和功耗都受到严格的限制,通过分立器件构建的读出电子学显然无法胜任,因此需要研制专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）进行 LGAD 信号的高时间精度、数字化的读出。由于LGAD是一种新型的探测器,目前国际上LGAD读出ASIC仍处于技术研发阶段,这些研发中的原型ASIC功能不完善,且难以获取。为了国内的LGAD及其读出电子学的研究需求,并积累相关技术,需要进行用于LGAD信号读出的高精度时间测量原型ASIC的自主研究工作,这即为本文的研究内容。此ASIC研究中最主要挑战是实现对低至约10 fC量级的微弱电荷信号进行20 ps水平的高精度时间测量,并实现阵列式的多通道集成结构以实现LGAD的信号读出。相对于世界上当前大型核与粒子物理实验装置中电子学系统的约20 ps最高时间精度水平,要求在更微弱的输入信号条件下实现高时间精度（相对于代表性的高精度时间探测器MRPC,信号幅度减少一个量级）。为了实现该目标,在研究中采用了双管输入级结构的前置放大器,结合自适应电源电路实现高速、低噪声放大甄别电路设计,实现低功耗、高信噪比的性能,保证前端电路的时间精度;在时间-数字变换（Time-to-Digital Conversion,TDC）电路设计中,通过使用双环型游标TDC结构和压控延迟单元“延迟差锁定”相结合的方法,实现细时间测量的小量化步长和快转换速度,再配以计数器进行粗时间测量,最终实现高时间精度和大动态测量范围。在研究过程中,采用电路设计、仿真和关键电路模块ASIC制作及测试结合的模式,进行了技术路线的探索和关键参数的验证,并对电路结构进行了优化创新,最终完成了包含模拟前端电路和TDC的5×5阵列LGAD读出原型ASIC的设计及测试,测试结果表明成功实现10 fC微弱输入信号下好于20 ps的时间精度,达到研究目标。本文的章节结构与内容如下:第一章介绍本文的研究背景。突出展现了 LGAD在时间精度和空间分辨率中的优势,及其在粒子物理实验中的潜在应用。随后简要介绍了 LGAD的基本原理和信号特征,并引出本文的研究内容。第二章中针对本研究中所需的主要技术展开调研,重点讨论了定时甄别与时间-数字变换的技术路线,并对本领域中的相关ASIC进行了调研,这些工作为原型ASIC中的电路设计提供了参考。第三章介绍了 LGAD读出ASIC的设计与实现。在研究过程中采用了分阶段推进的工作模式,分别设计了模拟前端电路验证芯片、TDC电路验证芯片以及最终集成模拟前端与TDC的完整ASIC原型芯片。第四章展示了此ASIC的验证测试结果。测试结果表明,三款芯片均达到设计目标,最后集成模拟前端与TDC的完整5×5阵列型原型ASIC实现好于20 ps的时间精度（在10 fC输入信号下）,成功达到了研究的目标。第五章对本论文的工作进行了总结,并对进一步的工作进行了展望。