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粒子探测器是粒子物理和原子核物理前沿研究的重要装置。2019年批准的“国家重大科研仪器研制项目”HIRFL-CSR外靶实验（CEE）,包含T0探测器、时间投影室、飞行时间探测器和量能器等多种探测器对粒子进行时间、位置和能量分辨。为了减小外靶实验最终物理结论的系统误差,需要升级并增加新的子探测器,而零角度量能器就是其中之一。该量能器处于正垂直于对撞中心的位置,需要快速准确的响应,测量出粒子的时间信息、能量信息和位置信息。作为量能器的核心探测器件,相较于传统光电倍增管（PMT）,硅光电倍增管（SiPM）具有高增益、高探测效率、低工作电压以及对磁场不敏感等优势,将广泛应用于粒子探测领域。本课题以HIRFL-CSR外靶实验中零角度量能器为研究目标,采用SiPM作为零角度量能器中的探测器件,读出电路需要同时分辨出粒子的击中时间信息和能量信息。根据外靶实验的事件率为1MHz,以及SiPM器件输出信号脉冲窄、响应速度快、时间分辨率高等特点,对SiPM读出电路进行了如下设计:1.每个通道采用传统的两支路测量结构,即在SiPM光电转换后分两支路分别对时间信息和能量信息进行采集。该芯片共集成了8个通道,能量信息输出为模拟信号,时间信息输出为数字信号,具体特点有:模拟输出通路设置档位选择,保证输入输出具有良好的线性关系进而更加准确的测得能量信息;时间测量通路通过甄别电路判断是否有粒子击中,计数器型时间数字转换器计算粒子击中时刻测得时间信息,为减少外部IO接口采用串行读出方式。后仿真结果表明,芯片单通道功耗为3.18mW、面积为1865μm × 1970μm、输入动态范围为10uA-3mA、时间测量误差小于1LSB（25ns）、能量测量通路中各个档位输出线性度良好。2.随着TOT（Time Over Threshold）技术的迅速发展,针对传统结构电路复杂、系统集成度低等缺点,采用时间数字转换器（TDC）对SiPM输出信号进行脉冲宽度测量,同时得出时间信息和能量信息。为了得到更为准确的脉宽信息,前端需要高速高带宽的比较器,因此第二颗芯片设计的电路为一个超高速比较器。该芯片为全数字输出,其中恒定共模电路提高级联限幅放大器级联的稳定性;均衡级电路设计用来增加带宽,减小“时间游动”（time walk）误差;不同增益电路的设计以获得更大的输入信号动态范围;快速甄别电路实现满幅度数字信号输出;RSDS（reduced swing differential signal）接口的设计既减小功耗也使得驱动能力增强。后仿真结果表明,芯片单通道功耗为4.89mW、芯片面积为1065μm×960μm、芯片输入动态范围为10uA-4mA、前沿定时time walk约为160ps、输入输出线性度良好。3.针对前两个芯片中对TDC电路的需求,设计了一款基于计数时钟的两步式TDC电路,采用粗计数与细计数结合的方法实现了高时间分辨率和大动态范围。高精度延迟单元由外部可调电压实现延时可调,能够抵消因PVT等外部因素导致的延迟单元延时的随机变化。TDC的分辨率由高精度延迟单元的延时时间决定,时钟频率和计数器的位数决定了 TDC的动态范围。后仿真结果表明,TDC的分辨率最高可为70ps、动态范围为640ns、RMS约为3ps、功耗约1.36mW,面积为300μm × 40μm。目前,前两颗芯片均已成功流片。传统结构芯片已完成测试,测试结果表明该芯片中计数器的工作频率可达200MHz,移位寄存器的工作频率可达100MHz,正常工作状态下时间测量误差小于1LSB（25ns）,动态范围为25ns-6.375us,满足设计指标要求。下一步会对第二个芯片进行测试,同时将基于计数时钟的两步式TDC电路集成到两款芯片内部使其性能更加完善。