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自希格斯粒子被发现以来,精确测量该粒子的特性和探索超越标准模型的新物理逐渐成为高能物理领域的研究热点。为精确测量希格斯粒子的特性,我国科学家提出了环形正负电子对撞机(Circular Electron-Positron Collider,CEPC)计划。单片有源像素传感器(Monolithic Active Pixel Sensors,MAPS)是CEPC顶点探测器的核心部件,用于精确测量重味粒子与轻子的位置和时间信息,需具备高位置分辨率、高读出速率、低功耗以及抗辐照等特性。具备该特性且能够将所有像素位置信息独立的、不丢失的读出到芯片外同时面积较小的数字读出电路设计是MAPS设计的关键之一。本文主要研究工作是将经典的Token结构与AERD(Address Encode and Reset Decode)结构相结合提出了一种数据驱动型读出架构,并在Tower Jazz 180nm CIS工艺下设计流片,实现了CEPC顶点探测器中MAPS的数字读出。其具体研究内容和创新点如下:1.把Token与AERD结构相结合,提出了全新的数据驱动型读出架构:在8行8列共64个像素单元组成的超级像素中采用Token结构,超级像素外使用AERD结构。超级像素内用Token结构实现非零数据压缩、缩小面积,超级像素外用AERD实现16行8列超级像素阵列的快速读出与低功耗。结果表明:采用Token技术后超级像素面积可缩小至25μm×25μm,从而提高了位置分辨率。2.设计了无片上存储器且能实时输出数据的数字读出电路:在MAPS芯片内使用一个23bit× 16的小容量FIFO将像素阵列读出的23bit数据转换成8bit数据,再将该8bit数据进行组帧后输出,从而实现了MAPS的8位并行实时读出和减小芯片面积,每帧数据仅需0.425μs,当击中率较低时,数据帧中包含时间信息。3.数字读出电路的物理设计与测试:根据顶点探测器设计指标,对数字读出电路进行时序约束并使用Design Compiler生成门级网表,之后通过Encounter完成该网表的版图设计。通过对该MAPS芯片的数字读出进行测试,观察到了良好的成像效果,从而验证了数字读出设计的正确性。