随着科学技术的发展,光子飞行时间的测量技术在通信存储、激光测量、军事国防、农业农村、生物医学领域有着广泛应用。微通道板是一种性能优良的光电探测器件,高时间分辨率、高空间分辨能力、高增益和低噪声等特性使其具有显著优势和利用价值。微通道板探测器负责探测光子,将光信号转化为电信号。读出电路芯片对电信号进行处理,实现记录时间的功能。将微通道板探测器和高性能面阵读出电路芯片直接进行混合集成是一条必由之路。本论文的主要内容为设计了一款光子飞行时间测量专用集成电路芯片,完成了理论分析、电路实现、版图设计的过程。光子飞行时间测量系统使用飞行时间原理,光子飞行时间是START和STOP之间的时间间隔。为此,本文讨论了模拟前端电路AFE的原理,实现了低时间误差模拟前端电路和低恢复时间模拟前端电路两种结构的前端电路。其中,低恢复时间模拟前端电路实现了7ns的死区时间。本文还提出了一种高时间精度的时间数字转换器TDC,创新地使用了粗计数和细计数结合的测量电路。这种方式充分利用了延时单元的结构,通过对电流的调节,实现对快延时链和慢延时链延时时间差的控制,从而保证了50ps的时间测量精度。本文提出的光子飞行时间测量专用集成电路芯片由像素阵列、列FIFO存储器、低压差分信号接口电路LVDS、延时锁相环电路DLL组成。像素单元由模拟前端电路AFE、时间数字转换器TDC和TDC_B、像素FIFO组成。AFE将输入的电荷转换成电压信号,使用两个比较器来实现比较功能和降噪功能,生成STOP和STOP_B信号。TDC和TDC_B分别对STOP和STOP_B进行测量,并将产生的数据发送到像素FIFO存储。像素FIFO中的数据传送至列FIFO,这些数据通过低压差分信号接口电路LVDS串行输出,LVDS提供了足够的驱动能力和响应速度。延时锁相环电路DLL是一种系统时钟生成电路,可将40MHz差分时钟转换为640MHz高速单端时钟以供内部使用。通过时钟树为每个像素提供高频时钟信号。本文采用SMIC 0.13μm的CMOS工艺对电路进行了实现,像素阵列规模为6×6,芯片面积5mm×5mm。系统的供电电压为1.2V,死区时间可达7ns,最小探测电流可达200μA,单个像元面积500μm×500μm,单个像素的功耗为5.846mW。最终实现了光子飞行时间的测量功能,时间精度为50ps。