自由电子激光比第三代同步辐射光源具有更高的亮度和更短的脉冲,将为物理学、化学、材料科学和生物学等多个学科打开全新研究机遇的大门,从而提供从未接近过的研究领域。已经投入使用的欧洲X射线自由电子激光器（X-Ray Free Electron Laser,XFEL）能够产生超短、高相干X射线脉冲,该X射线脉冲可以为各种材料提供原子水平的电离辐射成像。而对于欧洲XFEL高角度分辨率实验,需要开发专用探测器芯片以满足单次成像、帧存储量接近2700、单次成像模式下帧率大于4.5MHz（Mega Hertz）、像素尺寸不超过160μm×160μm等要求。因此,本文针对欧洲XFEL高角度分辨率实验需求,在国产工艺GSMC 130nm上设计了一款像素级开关电容阵列（Switched Capacitor Array,SCA）波形采样芯片,并对芯片进行了测试和数据分析。本文主要研究内容如下:1、像素级SCA（Pixel-Level SCA）波形采样芯片的设计。该芯片是集Topmetal技术、单片式有源像素探测器（Monolithic Active pixel）技术和开关电容阵列波形采样技术于一体。该芯片由32×32像素阵列和读写控制电路组成。每个像素集成了裸露的顶层金属Topmetal、PN结和32×32开关电容阵列。裸露的顶层金属和PN结用来收集电荷,开关电容阵列用于存储波形信号。该芯片采用卷帘快门（Rolling Shutter）方式对32×32像素阵列和像素内的32×32开关电容阵列进行读写操作。为了避免对PN结的电荷收集造成影响,设计中尽量不使用带有N阱的器件,采样开关使用NMOS管实现。采样电容使用NMOS管实现,在保证电容值的同时减小了像素面积,并且提高了芯片集成度。2、整个芯片版图布局布线的研究与设计。采用屏蔽技术避免噪声对采样电容的影响,在电容上方使用接地金属层屏蔽上层数字信号线对电容的耦合,在单个开关电容外围放置PGR（P-type Guard Ring）以隔离相邻开关电容的串扰。芯片版图整体面积为5570μm ×5700μm,单个像素的面积为150μm×156μm,单个采样单元的面积为4.7μm×5.1μm。版图完成后进行规则检查、电气连接检查及寄生参数提取,随后对电路进行了后仿真。3、芯片测试系统的设计与搭建,并对芯片进行了测试。测试系统包括芯片绑定板、母版、FPGA功能板、信号发生器和示波器。绑定板搭载芯片,将芯片接口连接到PCB板,并对接入的电源滤波降噪;FPGA功能板配置控制信号以及为芯片提供输入参考时钟。测试包括直流噪声测试、直流传输函数评估及正弦波采样和恢复测试。测试结果表明:拟合的直流传输函数与理论分析相符,该波形采样芯片的动态输入范围约为1V,单次成像模式下帧率可到10MHz,直流噪声在3.6mV左右,对正弦波信号采样后能够较好地还原出原始信号波形。本文设计的像素级开关电容阵列波形采样芯片能够单次成像,帧存储量达到1024张图像、像素尺寸仅为150μm×156μm,单次成像模式下帧率能够达到10MHz,期望为自由电子激光探测器像素芯片设计提供一种方案。