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在2019年LHC第二次停止运行期间,ALICE将对其内部径迹探测器ITS进行升级。在径迹探测器中,降低噪声不仅可有效提高能量测量精度,同时也能提高探测效率,因此低噪声是ITS升级的重要指标之一。单片式有源像素探测器将传感器和读出电子学集成于同一硅片上,具有小输入电容、低物质量、易安装等优势,因此ALICE ITS升级将采用单片式有源像素探测器。在一定功耗和带宽条件下,减小前端电子学输入电容和反馈电容可有效降低噪声,因此本文针对低噪声前端电路提出了四种降噪方法：1)、新的源漏极跟随器电路结构；2)、用两层走线金属间寄生电容实现小容量反馈电容,并通过适当增加距离和面积、改变电容结构等方法减小各像素间反馈电容的离散；3)、利用蒙特卡罗仿真实现在小面积约束条件下,降低不同像素间晶体管不一致引起的电荷阂值离散,从而降低由不同像素间电荷阈值离散引入的噪声；4)、通过增加共源共栅晶体管减小输入管栅漏间电压增益,从而减小不同像素间密勒等效电容的离散,进一步降低不同像素间电荷阈值的离散。本文具体研究内容和创新点主要体现在如下几个方面：1、提出了新的源漏极跟随器电路结构,减小了放大器输入电容,从而降低了噪声。源极跟随器较单级放大器而言,其输入晶体管栅源间寄生电容对放大器输入电容没有贡献从而有较大的电荷-电压转换增益,被广泛应用于单片式有源像素探测器电荷读出,然而,传统的两管结构源极跟随器仍有输入管栅漏间寄生电容对输入电容的贡献,为了消除输入管栅漏间寄生电容对输入电容的贡献,从而降低噪声,本文提出了新型的五管结构源漏极跟随器,实现了源极和漏极都跟随栅极电势,消除了输入晶体管栅源间和栅漏间寄生电容对输入电容的贡献,进一步减小了输入电容,且其电压增益比传统源极跟随器更接近1,从而增大了电荷-电压转换增益,降低了噪声。该新型源漏极跟随器电路已集成在了单片式有源像素探测器芯片INVESTIGATOR里,电路测试结果符合预期,同时,该芯片还通过增大传感器PN结反向偏置电压等方法降低PN结电容,进一步降低噪声。INVESTIGATOR已使用55Fe辐射源进行测试,测试结果表明：当PN结的反向偏置电压从0V增大到-6V时,PN结电容减小了49%,即从5.96 fF减小到3.04fF,等效输入噪声电荷减小了36%,即从80e-减小到51 e-；新型源漏极跟随器电路输入电容比传统源极跟随器电路减小了9%，即从3.04fF减小到2.76 fF,等效输入噪声电荷减小了25%,即从51e-减小到38e-。2、用两层走线金属间寄生电容实现了小容量反馈电容,并通过适当增加距离和面积、改变电容结构等方法减小各像素间反馈电容的离散,以提高电荷-电压转换增益,达到提升电路信噪比的目的。电荷灵敏前置放大器可以靠减小反馈电容来获得高转换增益,降低噪声,因此本文用两层走线金属间寄生电容实现了小容量反馈电容,并通过两种方法减小不同像素间反馈电容的离散：其一是用不相邻的两层金属增大反馈电容的距离和面积,其二是通过改变电容结构减小边缘效应对反馈电容容值的影响。这种反馈电容已应用于单片式有源像素探测器芯片pA_LP前端电子学的设计,仿真结果表明：通过第二层走线金属和第四层走线金属实现了0.2fF的反馈电容,电荷灵敏前置放大器在峰值时间为300ns时,等效输入噪声电荷约为18e-,每个像素功耗仅为45 nW。3、利用蒙特卡罗仿真实现了在小面积约束条件下,降低由不同像素间晶体管不一致引起的电荷阈值的离散,从而降低由不同像素间电荷阈值离散引入的噪声。这种方法已应用于单片式有源像素探测器芯片ALPIDE前端电子学不同像素间电荷阈值离散性的优化,ALPIDE前端电子学是一个开环电荷读出电路,由放大器和电流比较器组成,最大版图面积限制为220 μm2。通过蒙特卡罗仿真分析每个晶体管对不同像素间电荷阈值离散的贡献,根据其贡献大小,对晶体管尺寸进行优化,降低了由不同像素间晶体管不一致引起的电荷阈值离散。仿真结果表明：优化后的前端电子学由不同像素间晶体管不一致引起的电荷阈值离散减小了67%,即从6.10e-减小到1.99e-,同时,随机噪声也减小了9%,即从3.70e-减小到3.37e-。4、通过增加共源共栅晶体管减小输入晶体管栅漏间电压增益,从而减小不同像素间密勒等效电容值的离散,进一步降低电荷阈值离散。这种方法已应用于ALPIDE前端电子学不同像素间电荷阈值离散性的优化,在第二级电流比较器输入管漏极增加一个共源共栅晶体管,减小了电流比较器输入管的栅漏间电压增益,从而降低了由第二级输入管栅漏间寄生电容在不同像素间不一致引起的电荷阈值离散。仿真结果表明：优化后的前端电子学由第二级输入晶体管栅漏间寄生电容不一致引起的电荷阈值离散减小了73%,即从2.19 e-/0.1fF减小到0.59e-/0.1fF。优化后的前端读出电路已集成在ALPIDE探测器里,每个像素仅消耗40 nW模拟功耗,ALPIDE芯片最终会使用在ALICE ITS升级探测器中。