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大型强子对撞机（Large Hadron Collider,LHC）是世界上最大的,也是能量最高的质子加速器。其在粒子质量起源、超对称物理、暗物质等物理研究领域起着重要的作用。紧凑缪子线圈（Compact Muon Solenoid,CMS）是LHC上重要的通用型探测器之一。LHC在2025年至2027年中期的第三次Long Shutdown（LS3）进行Phase-Ⅱ升级,升级后的对撞质心能量将达到14 TeV,峰值亮度将达到5×1035 cm-2s-1,每个对撞周期的堆叠事件将达到200 PU（Pileup）。为了能让CMS探测器在LHC Run4～5（2027～2038年）期间工作在2.5倍于当前亮度和5倍于当前堆叠事件的条件下,升级中需加装一个最小电离粒子（Minimurn Ionizing Particles,MIP）时间探测器以精确测量粒子到达时间,从而提高探测器的粒子重建性能。而MIP时间探测器的ETL（Endcap Timing Layer）采用 了低增益雪崩传感器（Low-Gain Avalanche Detector,LGAD）与ETROC（ETL Readout Chip）读出芯片相结合的方案,则要求ETROC芯片中时间数字转换器（Time-to-Digital Converter,TDC）需具备较高的时间分辨率、较宽的动态范围以及较低的功耗。本文的主要研究工作是针对CMS探测器Phase-II升级中ETL时间探测器的时间测量背景,研发了门控环形延迟链结构的TDC,旨在解决ETL时间探测器中时间信息测量的读出电子学设计所面临的复杂问题和严峻挑战。其具体研究内容和创新点体现在如下几个方面:1.提出了一种门控环形延迟链的新型架构抗辐照TDC:将63个定制版图的二输入与非门首尾相连构成门控环形延迟链,被测脉冲控制环形延迟链的振荡,从而降低电路功耗;使用环形栅（Enclosed Layout Transistors,ELT）版图与非门,显著地增强了电路抗辐照能力。环形延迟链能同时测量脉冲的到达时间（Time ofArrival,TOA）和过阈值时间（Time over Threshold,TOT）,提高了测量效率。采用这种结构设计的ETROC1 TDC芯片在1.2 V供电、室温条件下的测试结果表明,延迟链的平均Bin Size为17.8 ps,当事件击中率为1%时,TDC的功耗仅为97 μW。X-ray辐照实验结果表明,该结构TDC经受总剂量23.8 KGy辐照后仍正常工作。2.解决了延迟链中延迟单元校准的问题,采用320 MHz时钟可调脉冲校准方案,能够精准获得延迟单元的平均延迟时间:选用320 MHz时钟的两个脉冲作为TDC的被测信号,每一次TDC测量都会产生一组校准数据,对其统计分析即可得到延迟单元的平均延迟时间。ETROC1 TDC芯片的测试结果表明,采用该校准方案得到的平均延迟时间的准确率为99%;通过进一步修正,校准得到的平均延迟时间准确率提高到了 99.9%。3.提出了一种时钟追赶的TOA测试方法,更加高效精准地测出了 TOA的时间数字转换性能:使用40.001 MHz的时钟作为TDC的被测信号,与TDC系统时钟（40 MHz）之间形成追赶,快速获得TOA时间测量转移曲线。测试结果表明:TOA的时间分辨率为17.8 ps,测量动态范围为11.6ns,积分非线性小于±1 LSB,微分非线性小于±0.6LSB,时间测量精度在全量程范围内都好于9.9ps RMS。4.提出了对TDC电源进行分割及退耦补偿的优化方案,从而提高了延迟链电路的电源稳定性,减小了电源噪声:针对ETROC1 TDC芯片的测试结果,将ETROC1 TDC的单电源供电分割为模拟与数字电源独立供电,模拟电源网络退耦电容容量从60 pF增加到443.5 pF。仿真结果表明,该优化方案将模拟电源的振荡幅度减小了约60%。优化后的ETROC2 TDC芯片于2021年7月流片生产。ETROC1 TDC芯片在SMU光电实验室已完成性能测试和辐照测试,测试结果均满足设计要求。ETROC1 TDC的性能在单通道链路芯片中得到了进一步的验证。验证结果表明,比较器输出脉冲到达时间（TOA）的抖动仅为8.5 ps,并利用TOT对TOA进行修正从而得到了更准确的到达时间。预计2021年11月对ETROC2 TDC芯片进行测试,测试结果满足设计要求后,ETROC2 TDC将会被应用到正在研发的ETROC2芯片中。