《模擬集成電路原理》課程教學方法改革與實踐

謝海情 蔡稀雅 郭 劍 鄒望輝

（長沙理工大學物理與電子科學學院 湖南·長沙 410114）

0 引言

作為信息技術產業(yè)的核心，集成電路是支撐國家經濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)，已成為實現(xiàn)科技強國、產業(yè)強國的關鍵標志[1-3]。目前，我國大力發(fā)展集成電路產業(yè)，不斷提高技術的創(chuàng)新能力，產業(yè)發(fā)展支撐能力也得到了明顯提高。然而與發(fā)達國家和地區(qū)相比，我國集成電路技術仍然比較落后，高端芯片產品做不到自給自足，對構建國家產業(yè)核心競爭力、保障信息安全等做不到有力支撐[4]。近年來，我省高度重視集成電路產業(yè)的發(fā)展，組建了省集成電路產業(yè)聯(lián)盟，初步形成了以芯片設計和IGBT為特色的長沙、株洲兩大產業(yè)集聚區(qū)，擁有集成電路企業(yè)246家。

集成電路是典型的人才密集型產業(yè)。產業(yè)的發(fā)展需要以人才為支撐，集成電路產業(yè)人才的培養(yǎng)是集成電路產業(yè)發(fā)展中基礎性工程。數(shù)據(jù)表明，到2020年集成電路產業(yè)總需求量是72萬人，現(xiàn)有人才總數(shù)只有40余萬，缺口達到30萬，而目前相關專業(yè)每年的畢業(yè)生在3萬人左右，人才缺口依然較大[5]。

1 課程現(xiàn)狀

我校電子科學與技術專業(yè)以培養(yǎng)集成電路設計與微電子器件方向的創(chuàng)新型高級專門人才為目標?！赌M集成電路原理》是該專業(yè)的核心、必修課程，對培養(yǎng)模擬集成電路相關方向的人才有至關重要的作用[6,7]。其所需基礎課程有電路基礎、電子線路（上、下）、半導體物理、微電子器件等。該課程的學習需要大量的基礎知識儲備量和較強的分析理解能力。教學過程中，首先引入模擬電路設計的概念性知識，講解集成電路的發(fā)展與其對生產、生活產生的影響。接著進入理論知識的教導，從講解MOS器件的工作原理與各種工作狀態(tài)下工作特性的模型推導入手；然后介紹了基本模擬芯片模塊的分析，如單級放大器、差動放大器、運算放大器和電流鏡；再到各種性能參數(shù)與系統(tǒng)層次模塊設計的教學，如電路噪聲分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、基準電壓源設計、鎖相環(huán)設計等。整個教學過程要求學生掌握大量理論基礎知識，記住多個典型電路結構與模型，學會并完成簡單的系統(tǒng)層次集成電路分析與設計。在教學期間，實驗課程與理論課并行，需講解EDA軟件的使用和傳授集成電路設計的常用的方法[8,9]。

學生在學習過程當中，缺少工程體驗，而集成電路本就存在內容抽象、理論計算公式煩瑣、圖示復雜等特點，導致學生學習興趣降低。課程本身具有較大的學習難度，往往一節(jié)課跟不上就導致后面的課程都學不懂。尤其對于低年級專業(yè)基礎課程熟悉程度較差的學生，其學習難度翻倍增加。另外，該課程是一門理論與實踐并重的課程，學生在學習過程中，需學會相應的EDA工具使用，并完成相應的實驗。目前EDA工具大多由國外引進，其安裝使用難度較大，且相應的使用說明書大多為英文，使得學生在課后自主學習難度較大，進一步加大了教學難度和學習難度[10,11]。

為進一步優(yōu)化教學質量，提高人才培養(yǎng)質量，應對《模擬集成電路原理》課程的教學方法進行改革。

2 課程教學方法改革

2.1 加強理論基礎、緊扣專業(yè)前沿

《模擬集成電路原理》課程對專業(yè)基礎知識要求較高，加強對電路基礎、電子線路（上、下）、半導體物理、微電子器件等基礎課程的教學強度，讓學生深入掌握必備的基礎知識，使學生在后面學習過程更加容易，降低因基礎差而跟不上課程進度的影響。對于難度較大的課程，學生上課期間可能掌握不了，在課后定期開設答疑課程，可為學生解答較為復雜的知識點，掃除學生的知識盲區(qū)。

教材課本的選擇也是極其重要的。國內的該課程的教材內容較陳舊，對國外著名教材的翻譯質量也不太高，通過對各種教材的考察并針對我校學生和課程的特點，選擇國外經典著作畢查德·拉扎維的《模擬CMOS集成電路設計》的中文翻譯版為課程主教材，外文原版作為輔助教材。這本書介紹了模擬CMOS集成電路的分析與設計，不僅詳細地闡述了模擬電路的基本原理和概念，同時還闡述在片上系統(tǒng)中模擬電路設計遇到的新問題及電路技術的新發(fā)展。本書由淺入深，理論與實際相結合，提供了大量現(xiàn)代工業(yè)的設計實例，是現(xiàn)代模擬集成電路設計的理想教材。在使用這本書的時候，應鼓勵學生多參考外文原版教材，提高學生的英文閱讀能力。

集成電路技術發(fā)展速度迅猛，更新?lián)Q代快，容易出現(xiàn)課本知識落后于科技前沿較大的情況。在教學過程中，不單單要講解課本上的理論知識，還要融入當前先進的科學技術知識。講解當下集成電路發(fā)展現(xiàn)況，讓學生的知識水平跟上科技前沿。同時，前沿技術的引入可以增加教學的趣味性，培養(yǎng)學生的探索精神。

2.2 完善實踐教學、促進知識理解

《模擬集成電路原理》課程具有較強的工程性，在學會相應的理論基礎后，應注重工程實踐。集成電路制備工藝復雜，其流片成本昂貴。因此，學生無法通過制備具體電路芯片完成實驗驗證。但隨著電路仿真技術的進步和發(fā)展，集成電路仿真方案愈來愈成熟。性能強大的EDA工具可以對學生設計的集成電路模塊進行高質量模擬仿真，讓學生進一步理解集成電路的理論知識。且集成電路仿真也是集成電路工程師從事研發(fā)的核心步驟之一。

EDA工具大多具有版權限制，對硬件使用環(huán)境要求較高。此外，通常需要大量的時間來完成一個集成電路測試。首先學校應進一步完善實驗教學平臺，增加實驗課程課時，實驗課由學生動手實踐為主，教師指導為輔。參考模擬芯片所使用的工具，學生可以預先接觸到各種設計工具，并將它們結合起來使用。其次開設課后興趣實驗小組，自由開放EDA實踐平臺，以增加學生的實驗機會，給學生獨立創(chuàng)新思考的空間，深入體會集成電路的工程性，提高課程學習興趣。

2.3 鼓勵學科競賽、提高創(chuàng)新能力

高校學科比賽可以鞏固與增強學生對基礎理論知識的理解，同時提高學生的知識的運用能力和創(chuàng)新能力。目前，學生參加各類專業(yè)比賽是高校教學環(huán)節(jié)接中重要一部分。很多學習競賽往往由校企聯(lián)合舉辦，大賽命題很多時候基于企業(yè)的實際項目。學生在參加比賽的過程可以把理論與實踐相結合，真正做到把知識運用到實際生產生活中。

學校將加大力度，鼓勵和支持電子科學與技術專業(yè)的學生參與“全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等學科競賽，對教學模式進行改進，吸引和選拔優(yōu)秀學生，實現(xiàn)因材施教，做到教學資源的充分利用和合理化調配。

3 結論

集成電路是典型的人才密集型產業(yè)，集成電路產業(yè)發(fā)展的最重要因素是人才。通過每年的就業(yè)情況以及專業(yè)數(shù)據(jù)表明，集成電路產業(yè)總需求量遠遠大于現(xiàn)有人才總數(shù)，集成電路高層次人才嚴重缺乏?！赌M集成電路原理》是高等院校集成電路人才培養(yǎng)的重要課程。針對該課程講授與學習的特點，從加強理論基礎、緊扣專業(yè)前沿，完善實踐教學、促進知識理解，鼓勵學科競賽、提高創(chuàng)新能力等三個方面對該課程的教學方法進行改革，從而提高集成電路人才的培養(yǎng)質量，為國家和社會輸送高質量集成電路相關領域的人才，具有重要的意義。