淺談集成電路設計競賽對《模擬集成電路設計》課程教學的促進作用

西安交通大學微電子學系 張 鴻

淺談集成電路設計競賽對《模擬集成電路設計》課程教學的促進作用

西安交通大學微電子學系 張 鴻

近年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但卻面臨著優(yōu)秀設計人才嚴重匱乏的困境。高校開設的集成電路設計課程與目前集成電路的快速發(fā)展存在一定程度的脫節(jié)，是導致這一問題的主要原因之一?！赌M集成電路設計》是目前高校微電子專業(yè)的核心課程之一，涵蓋知識面廣、抽象程度高，學生普遍反映學習難度較大。對該課程多年的教學經(jīng)驗表明，將實踐與教學緊密結(jié)合，是提升教學效果的有效方法。集成電路設計大賽這種方式一方面為模擬集成電路的教學提供了高水平的實踐平臺，使學生能夠通過比賽加深對課程內(nèi)容的理解，提升了教學效果；另一方面，大賽也促進了高校與高校、高校和企業(yè)在集成電路設計方面的交流； 更重要的是大賽通過競技的方式激發(fā)了教師和學生的創(chuàng)新思維，能夠進一步促進相關(guān)的科研進展。

集成電路；《模擬集成電路設計》課程；教學

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是一個國家的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性產(chǎn)業(yè)。我國面對新的經(jīng)濟興起和國際競爭格局，必須建立起自己強大的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，為信息產(chǎn)業(yè)和整個國民經(jīng)濟的發(fā)展提供強有力的支撐。發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，除需要解決技術(shù)和市場面臨的種種問題外，還必須從根本上解決集成電路人才培養(yǎng)的問題，從而為整個集成電路的科研和生產(chǎn)源源不斷地培養(yǎng)出符合行業(yè)要求，能與工程實踐接軌的各類人才，尤其是設計類人才。

普遍而言，模擬集成電路相對于數(shù)字集成電路對設計者的經(jīng)驗和智慧要求更高，模擬設計工程師通常需要更長期的實踐積累，才能達到很高的設計水平。高校開設的模擬集成電路設計課程作為該類人才培養(yǎng)的核心課程，其教學效果對激發(fā)相關(guān)學生的興趣，積累扎實的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)創(chuàng)新的思維模式有著至關(guān)重要的作用。然而，模擬集成電路課程的學習不但需要以半導體物理、器件和電路等物理類課程作為基礎(chǔ)，又需要以信號與系統(tǒng)和自動控制原理等系統(tǒng)級課程中的理論作為電路設計與分析的依據(jù)，涵蓋知識面廣、抽象程度高。因此，學生普遍反映該課程的學習難度較大。根據(jù)筆者所在教學團隊多年對模擬集成電路課程的教學經(jīng)驗，在理論教學過程中有機地結(jié)合各種形式的實踐，是提升該課程教學效果行之有效的手段。一般而言，高校針對該課程開設的實踐環(huán)節(jié)的通常采用課程設計的方式，這對加強學生的學習興趣、增強動手實踐能力并加強對理論知識的理解有著積極的作用。但是，這類實踐內(nèi)容和形式相對固定，不利于激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

集成電路設計大賽這種方式一方面為模擬集成電路的教學提供了更高水平的實踐平臺，使學生能夠通過比賽加深對課程內(nèi)容的理解，提升了教學效果；另一方面，大賽也促進了高校與高校、高校和企業(yè)在集成電路設計方面的交流； 更重要的是大賽通過競技的方式激發(fā)了教師和學生的創(chuàng)新思維，能夠進一步促進相關(guān)的科研進展。

本文將簡要分析模擬集成電路設計課程目前在教學中面臨的困境，在此基礎(chǔ)上闡述實踐對課程教學效果的重要作用，并重點分享指導學生參加本次集成電路設計大賽的一些心得和體會。

1 模擬集成電路設計教學面臨的困境

結(jié)合筆者所在團隊多年本科、研究生教學中所積累的經(jīng)驗，模擬集成電路的教育目前主要面臨以下困難。

1.1 教材陳舊，翻譯較為粗糙

現(xiàn)在本科生、研究生手中的教材多為一些入門級的經(jīng)典教材，這些教材雖然很適合學生知識體系的構(gòu)建和對集成電路行業(yè)形成初步理解，但在現(xiàn)在這樣一個集成電路技術(shù)發(fā)展日新月異的時代，這些教材往往與現(xiàn)代的工程實踐存在較大的脫節(jié)。除此之外，一些教材的翻譯水平往往參差不齊。一些教材在國外被奉為經(jīng)典，被翻譯成中文后卻枯燥無味、連篇累牘。還經(jīng)常出現(xiàn)由不同的人員翻譯不同的章節(jié)，使整本書連貫性差，使學生對知識的理解不夠透徹。

1.2 理論教學與實踐存在一定的脫節(jié)

學生往往容易過于依賴書本，脫離實踐。在對本科生的教學中，許多學生對教材中內(nèi)容掌握的相當透徹，考試也能得到一個相比較理想的分數(shù)。但結(jié)合具體的電路真正做起來卻一籌莫展，感覺自己無從下手。有些學生熟知運算放大器的各項性能指標，卻不知道這些指標會對一個具體的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路造成什么影響，這都是由于脫離工程實踐所造成的。學生們普遍都表現(xiàn)出了對仿真軟件及仿真方法不熟悉，對實際應用中電路元件的非理想特性不適應，對版圖知識的欠缺等問題。

1.3 教師和學生創(chuàng)新思維不足

創(chuàng)新是人類進步的源泉，而創(chuàng)新的火花往往是在實踐中所遇到挫折的激勵下迸發(fā)出來的，脫離了實踐便無從談創(chuàng)新，創(chuàng)新的可行性也必須由實踐來檢驗。如果學生缺乏實踐經(jīng)驗，那么他們便很難意識到已有電路結(jié)構(gòu)中所存在的問題，意識不到問題何談利用創(chuàng)新思維來解決問題呢？長此以往，思維之水遲滯而不前，怎能匯聚成江河之波濤披荊斬棘，一往無前。

2 教學與實踐有機結(jié)合是突破困境的有效措施

模擬集成電路設計課程本身涵蓋知識面廣、容較為抽象，再加上教材較為陳舊，翻譯教材又通常較為粗糙，僅依靠課堂教學很難達到理想的教學效果，更談不上創(chuàng)新思維的培養(yǎng)了。為了解決這些問題，我們探索了一些將實踐和理論教學有機結(jié)合的有效方法，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 穿插必要的課后實驗，實現(xiàn)理論教學與實踐教學的有機結(jié)合

為了使學生能夠及時地通過實踐加深對所學內(nèi)容的理解和掌握，在理論教學階段根據(jù)教學進度加入了多個必要的課后實驗內(nèi)容，以使學生及時地通過實驗加深對所學理論知識的理解，提升實踐能力和動手能力，同時達到激發(fā)學生學習興趣的目的。根據(jù)本課程以及模擬集成電路設計的特點，課后實驗只需要學生在自己的個人電腦上安裝業(yè)界通用的仿真軟件（Hspice），老師再提供集成電路代工廠的CMOS器件模型文件，學生就可以方便地進行模擬電路的仿真分析，達到實驗的目的。

2.2 增加集中實驗的覆蓋面

在集中進行了課程設計實驗階段，為了使學生通過實驗更為全面地掌握所學的理論知識，并有效地提升模擬集成電路設計的實踐能力和動手能力，我們設計多個內(nèi)容豐富的題目包括：帶隙基準的設計、高性能運放設計、振蕩器設計、跨導放大器設計和高精度比較器設計等。題目的設計涵蓋了整個理論教學的內(nèi)容。在實驗指導書中，除了以上幾個題目的講解外，還加入了進行實驗所必須的軟件使用指導和工藝器件模型仿真等內(nèi)容。這些精心設計的集中實踐題目，大大提升了學生對所學理論知識的掌握程度，并加強了他們的動手能力，以及分析問題和解決問題的能力。

2.3 通過參加集成電路設計大賽，激發(fā)學生創(chuàng)新思維

集成電路設計大賽為學生的實踐提供了一個更為廣闊的平臺，其特有的激勵方式更能激發(fā)學生參與競賽，進行課程內(nèi)容實踐的興趣。通常，大賽的題目并不規(guī)定具體的電路形式，要實現(xiàn)的目標只有下限，不設上限，最終通過綜合評比的方式確定獲獎者。這種實踐方式顯然比以上兩種傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)更能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

3 指導學生參加“第五屆大學生集成電路設計大賽”的心得和體會

2015年，筆者帶領(lǐng)課題組三名本科畢業(yè)設計學生（大四）參加了“第五屆大學生集成電路設計大賽”，并選擇了“超低功耗帶隙基準電路設計”的比賽命題，三名學生分別在大三第二學期和大四第一學期上了模擬集成電路設計課程和相應的集中課程設計。

該比賽命題要求以極低的功耗和面積實現(xiàn)一個具有低溫度系數(shù)的帶隙基準。接受命題后，學生很快意識到教科書上的傳統(tǒng)帶隙基準由于使用了電阻，必然存在功耗和面積的折衷。為了同時極小的面積和極低功耗，必須尋求新的結(jié)構(gòu)。在查閱大量的相關(guān)科技論文后，決定采用近年才報道的無電阻帶隙基準結(jié)構(gòu)來完成比賽[1,2]。為了激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，要求學生突破已有文獻的限制，分析其結(jié)構(gòu)還存在的問題，以及可改進和提升的可能。

接受任務后，由于有了創(chuàng)新驅(qū)動，三位學生顯示出了極大的熱情，并經(jīng)過大量的電路仿真分析，發(fā)現(xiàn)原有電路中正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的正溫度系數(shù)過低，致使需要多個子級級聯(lián)才能達到需要的正溫度系數(shù)，增大了面積和功耗。發(fā)現(xiàn)這一問題后，學生們有致力于探索具有更大輸出斜率的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路。經(jīng)過反復的討論和仿真分析，最終研究出了一種具有更高補償能力的正溫度系數(shù)電路，將電路級數(shù)有原來的5級降為2級，顯著地降低了電路的面積和功耗。隨后，為了進一步降低溫度系數(shù)，又自行設計了二階溫度補償系統(tǒng)和修調(diào)電路，把溫度漂移系數(shù)穩(wěn)定地降到了10ppm/℃以下。

之后，學生順利地完成了版圖設計和后仿真驗證。最終，憑借創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電路性能，該電路獲得了“超低功耗帶隙基準”組唯一的一個一等獎。

學生們在大賽中獲得了優(yōu)異成績，作為指導教師也獲益良多。在參與此次大賽之前，我在本科生《模擬CMOS集成電路設計》和研究生《CMOS模擬系統(tǒng)設計》的授課中，是這樣教書授課的：老師是主體，承擔主要任務，盡管一節(jié)課下來累的大汗淋漓，也要把所有知識點講解的透徹明白，希望學生學到更多。在參與指導此次大賽之后，我意識到學的多固然重要，但如果學生沒有了創(chuàng)新精神，那他所學到的知識只不過是一潭死水。一潭死水怎么能比上一泓清泉？我們教師在教授知識的同時，也一定要讓學生的知識結(jié)構(gòu)“流動”起來。而實踐就是創(chuàng)新的土壤，創(chuàng)新的種子只有在實踐的土壤中才能開花、結(jié)果。而大賽正是提供了這樣一種創(chuàng)新的土壤，使得教師和學生的創(chuàng)新思想得以發(fā)揮。

希望大學生集成電路設計大賽越辦越好，在大學生集成電路設計實踐和創(chuàng)新思維培養(yǎng)等方面發(fā)揮更加重要的作用！

[1]Y．Osaki,T．Hirose,and N．Kuroki．1．2-V Supply,100-nW,1．09-V Bandgap and 0．7-V Supply, 52．5-nW,0．55-VSubbandgapReference Circuits for Nanowatt CMOS LSIs, IEEE J．Solid-State Circuits,vol．48,no．6,pp．1503-1538,Jun．2013．

[2]Hong Zhang,Dong Li,Qing Wang,Jie Zhang, Chong Li,Ruizhi Zhang．A resistor-less bandgap reference with improved PTAT generator for ultra-low-power LSIs,2014 IEEE Faible Tension Faible Consommation(FTFC),pp．1,4, 4-6 May 2014．(EI:20142817931726))．

張鴻（1978-），男，博士，西安交通大學微電子學系，副教授。