一、团队成员：
魏廷存：博士、教授、博士生导师，E-mail: weitc@nwpu.edu.cn
陈 楠：博士、副研究员，E-mail: nc@nwpu.edu.cn
在读博士生：陈思杰，杨柳，刘建富，史学，刘德琛
在读硕士生：15名
二、主要研究领域及研究成果：
主要研究领域为模拟与混合信号专用集成电路设计（Analog and mixed-signal ASIC design），具体研究方向包括：
1）面向辐射探测器的微弱/高速信号读出处理芯片与系统；
2）高频数字电源控制芯片与系统；
3）微弱环境能量采集自供电芯片与系统；
4）图像与信号处理专用硬件加速芯片；
5）抗辐照ADC、DAC芯片；
6）平板显示驱动控制芯片；
7）混合电压工艺、数模混合信号ASIC/SoC设计方法学。
1. 宇宙射线探测专用芯片及系统
来自外太空的初级宇宙射线，是由超新星爆炸或其它天体物理事件所导致的，同时受太阳活动和地磁场的影响。初级宇宙射线粒子到达地球大气层时，通过与大气分子的相互作用，在地球表面衰变成μ子(muon)和中子(neutron)，其中μ子是地球表面的主要辐射粒子(约80%)。μ子是高能带电粒子，以其高能量和高穿透性的特点，存在于大气层、地球表面以及地下的任何地方。宇宙射线探测技术在天体粒子物理研究、大气环境参数（大气温度、大气压）的时-空连续监测、土壤水分监测、μ子断层成像、健康与生命研究等领域均具有广阔的应用前景。
图1所示为宇宙射线μ子探测系统的典型结构，主要由多通道μ子探测器、读出电子学系统和数据处理系统三部分组成。宇宙射线探测芯片是读出电子学系统的核心元器件，其关键技术包括微弱高速信号的低噪声多通道读出技术、信号时间差的高分辨率测量技术和宇宙射线的高速计数技术。
图1宇宙射线μ子探测系统
我们团队的主要研究课题和研究成果包括：
1） 多通道宇宙射线μ子探测芯片及数据处理系统。我们提出了针对新型多通道宇宙射线探测器的μ子射线甄别算法、基于延迟锁相环（DLL）的多通道混合信号探测芯片结构等创新技术。图2（a）和（b）是我们团队研发的2款宇宙射线μ子探测芯片，其信号时间差的测量分辨率分别达到5ns和1ns。图3是采用CR-detect-02芯片，于2019年3月在西安实测的μ子射线通量的实时变化（按每分钟统计）。
2） 基于地面宇宙射线的探测数据，实现对大气层温度的全天候、实时、时-空连续监测。
3） 基于地面宇宙射线探测的μ子断层成像技术。
（a）CR-detect-01（2017年） （b）CR-detect-02（2018年）
图2 宇宙射线μ子探测芯片
图3 采用CR-detect-02芯片实测的μ子射线通量的实时变化（2019年3月，西安）
2. 高频数字电源控制芯片与系统
随着CMOS工艺的微细化，数模混合信号SoC芯片以及电子信息系统的功能愈加强大、复杂度逐渐提高，其供电需求进入“多种电压轨、大电流、动态和智能管理”的新时代，要求电源管理电路更加数字化、智能化、高能效和高功率密度。
图4所示为数字控制开关稳压电源（数字电源）的结构框图，主要由数字电源控制芯片（Controller Chip）和功率级电路（Power Stage）组成。
图4数字控制开关稳压电源（数字电源）的结构框图
与模拟控制开关电源相比，数字电源具有可编程、可重构、可实现高效而复杂的控制算法、控制鲁棒性好等优点，近年来得到学术界和产业界的广泛重视和大力推广。数字电源的关键技术包括数字环路反馈控制算法、功率级电路的拓扑结构、模拟↔数字转换电路以及控制芯片的单片集成技术。
我们团队的主要研究课题和研究成果包括：
1）针对数字控制高频开关稳压电源的环路反馈控制算法，提出了a）针对电感电流/输出电压纹波控制的邻周期采样（Adjacent Cycle Sampling：ACS）控制策略和控制算法；b）基于ACS控制策略的数字V2双环控制方法；c）基于δ-算子的数字电压补偿器设计方法；d）数字-模糊PID控制算法。利用这些先进而复杂的控制算法，显著提高了数字电源的稳态和瞬态性能。
2）数字脉宽调制器（DPWM）以及输出电压和电感电流的数字化技术。研发了a）计数器-延迟线混合结构8-bit DPWM，b）由分段式快慢延迟链和单个延迟锁相环构成的8-bit DPWM，c）用于输出电压数字化的、基准电压可调的低功耗6-bit窗口式差动延迟线ADC，d）用于电感电流数字化的数值滤波电路。这些关键模块电路均可集成在数字电源控制芯片中。
3）数字电源控制芯片。基于以上数字电源的控制算法和关键电路模块的创新技术，我们研发了数字电源控制芯片（D-Power-01），如图5（a）所示，图5（b）为采用该芯片的数字电源整体的测试结果（开关频率=1MHz）。
4）数字控制单电感-多输出（SIMO）开关稳压电源。为了提高电源模块的转换效率和功率密度，重点研究负载自适应型、实时可重构单电感-多输出电源的拓扑结构、功率开关信号的负载自适应调制技术以及针对高频开关电源的电压/电流双环全数字控制技术（含线性/非线性/负载自适应控制等模式）。
（a）数字电源控制芯片（2016年） （b）数字电源的输出电压和PWM信号
图5 数字电源控制芯片及其电源模块的测试结果
3. 微弱环境能量采集自供电芯片及系统
随着物联网（IoT）和移动互联网的迅速普及和发展，超低功耗的智能无线传感节点数量急剧增加、其布设环境更加复杂，传感器的供电问题已经成为制约其普及应用的瓶颈问题。采集自然环境中的微弱环境能量并将其高效地转换为电能，可为无线传感节点提供长期稳定的供电电源，具有自供电、免维护、低成本、小巧轻便、易安装的特点。
微弱环境能量包括光能、机械能、热能、射频能等。微弱环境能量采集自供电系统主要由能量采集器、能量采集电路与电源管理电路组成，如图6所示。能量采集电路的关键技术包括最大能量采集技术（提高系统的能量采集效率）以及系统冷启动和自供电技术。我们团队的主要研究课题和研究成果包括：
1） 微风压电能量采集电路芯片及系统。为了提高能量采集效率，我们提出了动态阻抗匹配技术、工作模式切换技术（引入休眠模式）、极低输入能量下的冷启动技术以及储能器件的过压保护技术等。图7所示为我们团队研发的微风压电能量采集器及采集电路芯片。该采集器的启动风速仅为一级风力（1.5米/秒），输出电压幅度可达30V左右。采集电路芯片的设计中，我们采用了上述自主创新技术，使得该系统的采集效率得到显著提升，并具有冷启动和自供电的功能。
2） 微风压电能量采集-管理融合电路芯片及系统。为了提高能量采集效率和电源模块的功率密度，我们提出了能量采集-管理融合电路（单级电路）技术。
3） 多种异质能量融合采集电路芯片及系统。
图6 微弱环境能量采集自供电系统的结构
（a）基于PZT的微风能量采集器（2018年） （b）采集电路芯片（2018年）
图7 微风压电能量采集芯片及系统
4. 抗辐照ADC芯片
辐射探测技术在空间探测、生物医学成像、高能物理实验、放射性监测以及安全检查等领域具有广泛的用途。典型的辐射探测系统由辐射探测器、信号读出和数字化（ADC）芯片以及数据处理系统组成。在辐射探测应用环境中，采用CMOS工艺实现的集成电路芯片由于受到高能粒子的长期大剂量辐射，容易导致芯片的功能发生错误甚至完全失效。因此需要对芯片进行抗辐照加固设计，以提高其抗辐照能力和工作可靠性。
辐射效应对芯片的影响主要有4种类型：单粒子闩锁效应（SEL）、单粒子翻转效应（SEU）、位移损伤效应和总剂量电离辐射效应（TID）。
基于辐射探测的应用背景，我们团队研发了3款分辨率为12-bit、采样率为1 MS/s的抗辐照SAR-ADC芯片，分别为a）电阻电容混合结构、b）单位桥电容结构以及c）亚二进制电容结构的SAR-ADC芯片，如图8所示。在这些芯片的设计中，采用了多项创新技术，包括：失调电压自消除的高速高精度比较器，消除周期性失码现象的数字随机校准算法，针对亚二进制电容结构SAR-ADC的斜坡数字逐位校准算法，以及芯片的抗辐照电路和版图加固技术。
图8 12-bit、1 MS/s抗辐照SAR-ADC芯片
5. 平板显示驱动控制芯片
我们团队分别于2006年和2009年，在国内率先研制成功具有完全自主知识产权的彩屏手机和高清液晶电视用TFT-LCD驱动控制系列芯片（图9），处于国内领先水平。相关研究成果获得中央电视台《新闻联播》节目的报道，并获得陕西省科学技术奖一、二等奖各1项以及陕西省专利奖1项。
图9 手机用单片集成TFT-LCD驱动控制芯片（2006年）
三、团队发表的代表性SCI期刊论文和论著（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区)
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区)
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区)
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区)
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区)
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区)
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区）
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区）
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区）
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区）
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区）
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区）
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区）
14) 主编教材：《模拟CMOS集成电路设计》，清华大学出版社，2010年3月出版。
四、科研获奖及媒体报道：
1) “手机用TFT彩色液晶显示驱动控制电路芯片—龙腾T1”，获得2007年度陕西省科学技术一等奖。（第一完成人）
2) 2007年5月23日，中央电视台《新闻联播》节目报道了“龙腾T1”芯片研发成功的消息。
3) “液晶显示驱动控制关键技术与应用”，获得2010年度陕西省科学技术二等奖。（第一完成人）
4) 2010年7月12日，陕西电视台《陕西新闻联播》报道了“龙腾系列”液晶电视驱动芯片研发成功的消息。
5) “液晶显示驱动控制芯片的驱动电路模块设计方法”技术发明专利，获得2009年度陕西省专利奖二等奖。（第一发明人）
6) “彩屏手机用TFT-LCD驱动控制芯片系列”，获得2008中国国际工业博览会中国高校展区优秀展品奖。（第一完成人）
