近十年来,以示波器为代表的超宽带信号采集系统工作带宽迅速提升,而决定其系统能力的四大核心要素分别是系统采样架构、模拟信号取样（取样头）技术、高速模数转换器（ADC）技术、数字恢复算法等,本论文工作围绕采样架构和取样头设计技术展开。现有三种典型的系统采样架构中,同步时间交织方式要求内部严格同步;异步时间交织方式仅包含两通道,降频能力有限;数字频段交织方式因通道间物理参数差异大,对数字资源需求较大;因此在同步难度大、带宽宽、数字资源有限的条件下,探索新的采样架构十分必要。取样头是决定系统性能上限的关键技术之一,近年来跟踪保持电路的带宽能力不断增强,已成为取样头的重要选项;但据已有文献报道,跟踪保持电路有三项工作需要进一步研究,分别是适应时间交织采样系统需求的低采样率大带宽设计、高频信号在信号保持时的馈通抑制、电路参数初值计算及优化方向的指导理论。因此,本文开展了如下几方面研究:1.针对同步难度大、带宽宽、数字资源有限情形,提出了广义异步时间交织（GATI）采样架构理论模型。GATI架构继承并发展了传统ATI的变频思路,将通道数目拓展为任意情形,并采用变换矩阵表征每个通道内、输入信号的各奈奎斯特区频谱分量到基带（第一奈奎斯特区）的映射关系;数值算法通过对变换矩阵求逆,获得逆变换矩阵;利用逆变换矩阵,可根据每个通道的基带信号获得输入信号的各奈奎斯特区频谱分量,最后恢复输入信号频谱。仿真结果验证了 GATI架构的正确性。2.针对超宽带信号采集系统对低采样率、大带宽取样头需求,设计并实现了多种低采样率、大带宽THA芯片,满足时间交织采样架构（包括GATI）的需求。所完成的芯片,基于0.13um SiGe HBT工艺,引入了有源时钟波形处理电路,实现的工作带宽和采样率之比达到10倍,可用于多通道时间交织信号采集系统中。3.针对THA电路高频馈通问题,提出了一种新的THA电路结构。新电路结构在保持状态下将输入差分电流信号引入到共模通道对消,有效抑制入信号在保持状态下向输出端的馈通。和常采用的交叉电容反馈方法相比,无需引入额外辅助电路,简化了电路,改善了馈通效果随着输入信号频率升高而下降的弊端。4.针对THA电路参数初值计算及优化方向的指导理论缺乏问题,在新结构THA电路设计中提出了带宽延时转换（BTD）方法,建立了 THA非稳态过程数学模型,指导了新结构THA芯片的参数初值计算,并在数值仿真设计过程中辅助了参数优化过程,最后通过基于0.18um SiGe HBT工艺完成的THA芯片获得验证。该数学模型对今后同类超宽带THA芯片设计提供有益的理论指导。