一、團隊成員：
魏廷存：博士、教授、博士生導師，E-mail: weitc@nwpu.edu.cn
陳 楠：博士、副研究員，E-mail: nc@nwpu.edu.cn
在讀博士生：陳思傑，楊柳，劉建富，史學，劉德琛
在讀碩士生：15名
二、主要研究領域及研究成果：
主要研究領域為模拟與混合信号專用集成電路設計（Analog and mixed-signal ASIC design），具體研究方向包括：
1）面向輻射探測器的微弱/高速信号讀出處理芯片與系統；
2）高頻數字電源控制芯片與系統；
3）微弱環境能量采集自供電芯片與系統；
4）圖像與信号處理專用硬件加速芯片；
5）抗輻照ADC、DAC芯片；
6）平闆顯示驅動控制芯片；
7）混合電壓工藝、數模混合信号ASIC/SoC設計方法學。
1. 宇宙射線探測專用芯片及系統
來自外太空的初級宇宙射線，是由超新星爆炸或其它天體物理事件所導緻的，同時受太陽活動和地磁場的影響。初級宇宙射線粒子到達地球大氣層時，通過與大氣分子的相互作用，在地球表面衰變成μ子(muon)和中子(neutron)，其中μ子是地球表面的主要輻射粒子(約80%)。μ子是高能帶電粒子，以其高能量和高穿透性的特點，存在于大氣層、地球表面以及地下的任何地方。宇宙射線探測技術在天體粒子物理研究、大氣環境參數（大氣溫度、大氣壓）的時-空連續監測、土壤水分監測、μ子斷層成像、健康與生命研究等領域均具有廣闊的應用前景。
圖1所示為宇宙射線μ子探測系統的典型結構，主要由多通道μ子探測器、讀出電子學系統和數據處理系統三部分組成。宇宙射線探測芯片是讀出電子學系統的核心元器件，其關鍵技術包括微弱高速信号的低噪聲多通道讀出技術、信号時間差的高分辨率測量技術和宇宙射線的高速計數技術。
圖1宇宙射線μ子探測系統
我們團隊的主要研究課題和研究成果包括：
1） 多通道宇宙射線μ子探測芯片及數據處理系統。我們提出了針對新型多通道宇宙射線探測器的μ子射線甄别算法、基于延遲鎖相環（DLL）的多通道混合信号探測芯片結構等創新技術。圖2（a）和（b）是我們團隊研發的2款宇宙射線μ子探測芯片，其信号時間差的測量分辨率分别達到5ns和1ns。圖3是采用CR-detect-02芯片，于2019年3月在西安實測的μ子射線通量的實時變化（按每分鐘統計）。
2） 基于地面宇宙射線的探測數據，實現對大氣層溫度的全天候、實時、時-空連續監測。
3） 基于地面宇宙射線探測的μ子斷層成像技術。
（a）CR-detect-01（2017年） （b）CR-detect-02（2018年）
圖2 宇宙射線μ子探測芯片
圖3 采用CR-detect-02芯片實測的μ子射線通量的實時變化（2019年3月，西安）
2. 高頻數字電源控制芯片與系統
随着CMOS工藝的微細化，數模混合信号SoC芯片以及電子信息系統的功能愈加強大、複雜度逐漸提高，其供電需求進入“多種電壓軌、大電流、動态和智能管理”的新時代，要求電源管理電路更加數字化、智能化、高能效和高功率密度。
圖4所示為數字控制開關穩壓電源（數字電源）的結構框圖，主要由數字電源控制芯片（Controller Chip）和功率級電路（Power Stage）組成。
圖4數字控制開關穩壓電源（數字電源）的結構框圖
與模拟控制開關電源相比，數字電源具有可編程、可重構、可實現高效而複雜的控制算法、控制魯棒性好等優點，近年來得到學術界和産業界的廣泛重視和大力推廣。數字電源的關鍵技術包括數字環路反饋控制算法、功率級電路的拓撲結構、模拟↔數字轉換電路以及控制芯片的單片集成技術。
我們團隊的主要研究課題和研究成果包括：
1）針對數字控制高頻開關穩壓電源的環路反饋控制算法，提出了a）針對電感電流/輸出電壓紋波控制的鄰周期采樣（Adjacent Cycle Sampling：ACS）控制策略和控制算法；b）基于ACS控制策略的數字V2雙環控制方法；c）基于δ-算子的數字電壓補償器設計方法；d）數字-模糊PID控制算法。利用這些先進而複雜的控制算法，顯著提高了數字電源的穩态和瞬态性能。
2）數字脈寬調制器（DPWM）以及輸出電壓和電感電流的數字化技術。研發了a）計數器-延遲線混合結構8-bit DPWM，b）由分段式快慢延遲鍊和單個延遲鎖相環構成的8-bit DPWM，c）用于輸出電壓數字化的、基準電壓可調的低功耗6-bit窗口式差動延遲線ADC，d）用于電感電流數字化的數值濾波電路。這些關鍵模塊電路均可集成在數字電源控制芯片中。
3）數字電源控制芯片。基于以上數字電源的控制算法和關鍵電路模塊的創新技術，我們研發了數字電源控制芯片（D-Power-01），如圖5（a）所示，圖5（b）為采用該芯片的數字電源整體的測試結果（開關頻率=1MHz）。
4）數字控制單電感-多輸出（SIMO）開關穩壓電源。為了提高電源模塊的轉換效率和功率密度，重點研究負載自适應型、實時可重構單電感-多輸出電源的拓撲結構、功率開關信号的負載自适應調制技術以及針對高頻開關電源的電壓/電流雙環全數字控制技術（含線性/非線性/負載自适應控制等模式）。
（a）數字電源控制芯片（2016年） （b）數字電源的輸出電壓和PWM信号
圖5 數字電源控制芯片及其電源模塊的測試結果
3. 微弱環境能量采集自供電芯片及系統
随着物聯網（IoT）和移動互聯網的迅速普及和發展，超低功耗的智能無線傳感節點數量急劇增加、其布設環境更加複雜，傳感器的供電問題已經成為制約其普及應用的瓶頸問題。采集自然環境中的微弱環境能量并将其高效地轉換為電能，可為無線傳感節點提供長期穩定的供電電源，具有自供電、免維護、低成本、小巧輕便、易安裝的特點。
微弱環境能量包括光能、機械能、熱能、射頻能等。微弱環境能量采集自供電系統主要由能量采集器、能量采集電路與電源管理電路組成，如圖6所示。能量采集電路的關鍵技術包括最大能量采集技術（提高系統的能量采集效率）以及系統冷啟動和自供電技術。我們團隊的主要研究課題和研究成果包括：
1） 微風壓電能量采集電路芯片及系統。為了提高能量采集效率，我們提出了動态阻抗匹配技術、工作模式切換技術（引入休眠模式）、極低輸入能量下的冷啟動技術以及儲能器件的過壓保護技術等。圖7所示為我們團隊研發的微風壓電能量采集器及采集電路芯片。該采集器的啟動風速僅為一級風力（1.5米/秒），輸出電壓幅度可達30V左右。采集電路芯片的設計中，我們采用了上述自主創新技術，使得該系統的采集效率得到顯著提升，并具有冷啟動和自供電的功能。
2） 微風壓電能量采集-管理融合電路芯片及系統。為了提高能量采集效率和電源模塊的功率密度，我們提出了能量采集-管理融合電路（單級電路）技術。
3） 多種異質能量融合采集電路芯片及系統。
圖6 微弱環境能量采集自供電系統的結構
（a）基于PZT的微風能量采集器（2018年） （b）采集電路芯片（2018年）
圖7 微風壓電能量采集芯片及系統
4. 抗輻照ADC芯片
輻射探測技術在空間探測、生物醫學成像、高能物理實驗、放射性監測以及安全檢查等領域具有廣泛的用途。典型的輻射探測系統由輻射探測器、信号讀出和數字化（ADC）芯片以及數據處理系統組成。在輻射探測應用環境中，采用CMOS工藝實現的集成電路芯片由于受到高能粒子的長期大劑量輻射，容易導緻芯片的功能發生錯誤甚至完全失效。因此需要對芯片進行抗輻照加固設計，以提高其抗輻照能力和工作可靠性。
輻射效應對芯片的影響主要有4種類型：單粒子闩鎖效應（SEL）、單粒子翻轉效應（SEU）、位移損傷效應和總劑量電離輻射效應（TID）。
基于輻射探測的應用背景，我們團隊研發了3款分辨率為12-bit、采樣率為1 MS/s的抗輻照SAR-ADC芯片，分别為a）電阻電容混合結構、b）單位橋電容結構以及c）亞二進制電容結構的SAR-ADC芯片，如圖8所示。在這些芯片的設計中，采用了多項創新技術，包括：失調電壓自消除的高速高精度比較器，消除周期性失碼現象的數字随機校準算法，針對亞二進制電容結構SAR-ADC的斜坡數字逐位校準算法，以及芯片的抗輻照電路和版圖加固技術。
圖8 12-bit、1 MS/s抗輻照SAR-ADC芯片
5. 平闆顯示驅動控制芯片
我們團隊分别于2006年和2009年，在國内率先研制成功具有完全自主知識産權的彩屏手機和高清液晶電視用TFT-LCD驅動控制系列芯片（圖9），處于國内領先水平。相關研究成果獲得中央電視台《新聞聯播》節目的報道，并獲得陝西省科學技術獎一、二等獎各1項以及陝西省專利獎1項。
圖9 手機用單片集成TFT-LCD驅動控制芯片（2006年）
三、團隊發表的代表性SCI期刊論文和論著（近五年）：
1) Nan Chen, Tingcun Wei, et al., “Alternating Resistive Impedance Matching for an Impact-Type Microwind Piezoelectric Energy Harvester”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 65, No. 9, pp.7374-7382, September 2018.(SCI 1區)
2) Nan Chen, Tingcun Wei, Ke Shang, Renkai Wang,“Digital Controller Based on Delta Operator for High-Frequency DC-DC Switching Converters”, IET Power Electronics,Vol. 11, No. 7, pp.1224-1230, June 2018.(SCI 2區)
3) Nan Chen,Tingcun Wei,et al., “Quick Self-Start and Minimum Power-Loss Management Circuit for Impact-Type Micro Wind Piezoelectric Energy Harvesters”,Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 263, pp.23-29,August2017.(SCI 2區)
4) Huiming Zeng,Tingcun Wei,Jia Wang,“Linearity enhancement design of a 16-channel low-noise front-end readout ASIC for CdZnTe detectors”,Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A, Vol. 847, pp.93-98, March 2017.(SCI 2區)
5) Nan Chen, Hyun Jun Jung, Hamid Jabbar, Tae Hyun Sung, Tingcun Wei*, “A piezoelectric impact-induced vibration cantilever energy harvester from speed bump with a low-power power management circuit”,Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 254, pp.134-144,February2017.(SCI 2區)
6) XiaominWei,BoLi,TingcunWei,et al., “Design of a Touch Controller for Multitouch Screen System with Touch Prediction and Window Sensing (TPWS) Strategy”,IEEEJournal of Display Technology, Vol. 12, No. 12, pp.1638-1646, December 2016.(SCI 3區)
7) Bo Li, Tingcun Wei, Xiaomin Wei,et al., “A Touch Prediction and Window SensingStrategy for Low-Power and Low-CostCapacitive Multitouch Screen Systems”,IEEEJournal of Display Technology (JDT),Vol. 12, No. 6, pp.646-657, June 2016.(SCI 3區）
8) Wei Liu,Tingcun Wei,et al.,“A SAR-ADC using unit bridge capacitor and with calibration for the front-end electronics of PET imaging”,Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A（NIMA）, Vol. 818, pp.9-13, May 2016.(SCI 2區）
9) B. Gan,T. Wei, et al., “A Low-Noise 64-Channel Front-End Readout ASIC for CdZnTe Detectors Aimed tohardX-ray Imaging Systems”,Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A（NIMA）, Vol. 816, pp.53-61, April 2016.(SCI 2區）
10) Wei Liu,Tingcun Wei,et al.,“A 12-bit, 1 MS/s SAR-ADC for a CZT-based Multi-channel Gamma-ray Imager Using a New Digital Calibration Method”,Journal of Instrumentation,Vol. 11, No. 3, P03018, March 2016.(SCI 3區）
11) TingcunWei,Yulin Wang,Feng Li,Nan Chen and Jia Wang，“Digitally Current Controlled DC-DC Switching Converters UsinganAdjacent Cycle Sampling Strategy”，Journal of Power Electronics (JPE),Vol. 16, No. 1, pp.227-237, January 2016.(SCI 4區）
12) B. Gan, T. Wei,et al., “Design of a Multi-Channel Low-Noise ReadoutASIC for CdZnTe-Based X-ray and γ-raySpectrum Analyzer”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 62, No. 5, pp.1995-2002, October 2015.(SCI 2區）
13) Wei Liu, Tingcun Wei,et al., “Design of a 12-bit 1MS/s SAR-ADC for front-end readout of 32-Channel CZT detector imaging system”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A（NIMA）, Vol. 786, pp.155-163, June 2015.(SCI 2區）
14) 主編教材：《模拟CMOS集成電路設計》，清華大學出版社，2010年3月出版。
四、科研獲獎及媒體報道：
1) “手機用TFT彩色液晶顯示驅動控制電路芯片—龍騰T1”，獲得2007年度陝西省科學技術一等獎。（第一完成人）
2) 2007年5月23日，中央電視台《新聞聯播》節目報道了“龍騰T1”芯片研發成功的消息。
3) “液晶顯示驅動控制關鍵技術與應用”，獲得2010年度陝西省科學技術二等獎。（第一完成人）
4) 2010年7月12日，陝西電視台《陝西新聞聯播》報道了“龍騰系列”液晶電視驅動芯片研發成功的消息。
5) “液晶顯示驅動控制芯片的驅動電路模塊設計方法”技術發明專利，獲得2009年度陝西省專利獎二等獎。（第一發明人）
6) “彩屏手機用TFT-LCD驅動控制芯片系列”，獲得2008中國國際工業博覽會中國高校展區優秀展品獎。（第一完成人）
