《模擬集成電路》課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法探析

段志奎，王昕

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東佛山 528225）

集成電路是新一代信息技術(shù)的核心支撐，是我國“十四五”規(guī)劃中與新一代人工智能、量子信息、腦科學(xué)、基因與生物、臨床醫(yī)學(xué)與健康、深空深地深海和極地探測(cè)并列的七大科技前沿領(lǐng)域之一。模擬集成電路是集成電路的重要研究領(lǐng)域之一，是現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的橋梁，是各類信息采集與處理芯片的核心電路，也是從事微電子與集成電路相關(guān)工作的必備基礎(chǔ)。

在國家大力發(fā)展半導(dǎo)體與集成電路產(chǎn)業(yè)背景下，很多高校相繼開設(shè)集成電路相關(guān)課程，其中《模擬集成電路》是必修課程之一。雖然該課程在不同高校和不同專業(yè)的教學(xué)學(xué)時(shí)和內(nèi)容方面略有不同，但是教學(xué)內(nèi)容總體上主要包括半導(dǎo)體器件、晶體管原理、運(yùn)算放大器原理與設(shè)計(jì)、頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性與頻率補(bǔ)償、噪聲、反饋、振蕩器、工藝與版圖等內(nèi)容[1,2,3]。教學(xué)目的是通過課程教學(xué)，使學(xué)生具備基本的集成電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證等基礎(chǔ)知識(shí)和技能[4,5]，了解集成電路設(shè)計(jì)、芯片制造工藝、流片、封測(cè)等環(huán)節(jié)，能夠適應(yīng)集成電路領(lǐng)域用人單位的實(shí)際需求。根據(jù)廣東省集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合專業(yè)學(xué)生學(xué)情特點(diǎn)，筆者對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行探索與討論。

1 教學(xué)內(nèi)容探析

《模擬集成電路》課程涵蓋半導(dǎo)體器件、電路原理、芯片版圖等知識(shí)，是理論與設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)合性很強(qiáng)的課程[6-8]。國內(nèi)高校開設(shè)的《模擬集成電路》課程與學(xué)生未來的就業(yè)崗位、企業(yè)需求相結(jié)合[9,10]，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容時(shí)，將半導(dǎo)體器件與版圖設(shè)計(jì)相結(jié)合、電路仿真與版圖后仿真相結(jié)合、電路設(shè)計(jì)與芯片可測(cè)性相結(jié)合，體現(xiàn)芯片設(shè)計(jì)的實(shí)踐性，提高學(xué)生對(duì)芯片設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證、流片、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)的整體認(rèn)識(shí)，為后續(xù)課程開展打好基礎(chǔ)。在具體知識(shí)內(nèi)容上，目前普遍選用拉扎維、艾倫或格雷等編著的國內(nèi)外經(jīng)典書籍作為教材。教學(xué)時(shí)從半導(dǎo)體器件的物理結(jié)構(gòu)、晶體管V-I特性入手，繼而由單一器件到單級(jí)放大器，由單級(jí)放大器到差分放大器、多級(jí)放大器、振蕩器、帶隙基準(zhǔn)，進(jìn)而介紹頻率特性、噪聲、反饋、穩(wěn)定性與補(bǔ)償?shù)戎R(shí)，在知識(shí)體系與結(jié)構(gòu)上較為合理。模擬集成電路主要包括時(shí)鐘類電路、電源類電路、信號(hào)處理類電路，其中放大器在三類電路中應(yīng)用最為廣泛。以信號(hào)處理類電路為例，其核心思想是對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次迭代的濾波與放大。因此在實(shí)際教學(xué)過程中，放大器是重點(diǎn)，是最常用的電路。其設(shè)計(jì)與分析涉及晶體管尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)、電路增益、帶寬、反饋、補(bǔ)償、功耗、版圖對(duì)稱等電路設(shè)計(jì)所要考慮的核心問題。此外還涉及電路設(shè)計(jì)軟件、仿真軟件、版圖軟件等虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)的使用與實(shí)踐?？梢哉f通過放大器的教學(xué)，可以將模擬電路課程中的絕大部分知識(shí)關(guān)聯(lián)起來，打破章節(jié)與知識(shí)點(diǎn)孤島。

在教學(xué)過程中，需要教師根據(jù)本地產(chǎn)業(yè)布局特點(diǎn)[11]，對(duì)集成電路應(yīng)用方面進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展。例如大灣區(qū)電子信息產(chǎn)業(yè)鏈條在廣州、深圳、佛山、東莞、珠海、中山等城市的布局特點(diǎn)，對(duì)芯片設(shè)計(jì)、流片、封裝、測(cè)試，芯片模組，電子產(chǎn)品進(jìn)行延展，從應(yīng)用需求反向推導(dǎo)芯片功能與性能、芯片中模擬電路的功能與參數(shù)，最后回到課程教學(xué)中的電路分析與設(shè)計(jì)，形成知識(shí)閉環(huán)、邏輯閉環(huán)、應(yīng)用閉環(huán)，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)的目的性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)之所用。

2 教學(xué)方法探析

2.1 理論教學(xué)

目前高校教學(xué)設(shè)備信息水平已顯著提高，多媒體設(shè)備足以支撐動(dòng)畫、視頻等教學(xué)手段。在利用多媒體展示半導(dǎo)體器件和集成電路物理結(jié)構(gòu)和特性的同時(shí)，還可以借助云服務(wù)器構(gòu)建模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。線下授課向?qū)W生講解電路分析及其參數(shù)指標(biāo)的同時(shí)，通過云平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電路仿真與驗(yàn)證。根據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)，采用不同電路形式進(jìn)行講解與分析，實(shí)現(xiàn)線下理論講解、課上動(dòng)畫PPT演示、云平臺(tái)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)踐，使學(xué)生能夠高效理解與掌握知識(shí)點(diǎn)，并掌握相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)與仿真方法。例如講授運(yùn)算放大器內(nèi)容時(shí)，可從放大器增益和相位裕度的理論推導(dǎo)入手，講解每個(gè)晶體管對(duì)增益的影響、晶體管參數(shù)對(duì)增益的影響，增益表達(dá)式中對(duì)應(yīng)的參數(shù)是什么；相位裕度對(duì)電路穩(wěn)定性的決定作用、電路中零點(diǎn)與極點(diǎn)對(duì)相位裕度的影響、零點(diǎn)/極點(diǎn)受哪些電路器件的影響、如何調(diào)整零點(diǎn)/極點(diǎn)等。通過PPT動(dòng)畫展示電流在差分情況下對(duì)輸出級(jí)的推挽效果，進(jìn)而分析電路響應(yīng)速度與功耗之間的關(guān)系，以及在版圖設(shè)計(jì)時(shí)要考慮器件的對(duì)稱性布局、如何通過版圖設(shè)計(jì)降低電源噪聲等；最后通過云平臺(tái)對(duì)運(yùn)算放大器電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證某一器件參數(shù)變化引起電路各種性能指標(biāo)的改變。通過上述多種手段，改變傳統(tǒng)理論教學(xué)枯燥無趣的上課體驗(yàn)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握程度。

2.2 芯片案例教學(xué)

理論教學(xué)中的芯片案例教學(xué)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和參與性，同時(shí)也能將所講授的模擬電路與現(xiàn)實(shí)芯片進(jìn)行關(guān)聯(lián)與驗(yàn)證[12]。例如選取合適的運(yùn)算放大器芯片或者鎖相環(huán)芯片，將模擬電路分析與仿真等理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)芯片測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過分組討論，將抽象的電路功能、性能參數(shù)等方面的教學(xué)內(nèi)容賦予現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義，并以芯片應(yīng)用和實(shí)測(cè)的形式印證理論教學(xué)中的內(nèi)容。以放大器芯片為例，挑選一款芯片，采用信號(hào)發(fā)生器和示波器等設(shè)備，通過分組測(cè)試放大器，分析與驗(yàn)證集成電路的頻率響應(yīng)、帶寬等參數(shù)；通過級(jí)聯(lián)放大器、形成負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)，分析電路的增益和帶寬變化等。通過芯片案例分析將電路理論分析、仿真驗(yàn)證、芯片產(chǎn)品、芯片模組、應(yīng)用設(shè)備串聯(lián)起來，做到教學(xué)與現(xiàn)實(shí)相統(tǒng)一。

從教學(xué)目標(biāo)和能力培養(yǎng)方面看，這樣的案例式互動(dòng)教學(xué)能夠促使學(xué)生從解決現(xiàn)實(shí)問題的角度來重新認(rèn)識(shí)模擬集成電路的重要作用，使學(xué)生從被動(dòng)的課堂教學(xué)受眾轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾R(shí)去解決問題的“工程師”，加深對(duì)模擬電路教學(xué)內(nèi)容的理解。從素質(zhì)教學(xué)目標(biāo)來看，可以提高學(xué)生認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)、分析、解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生能力的螺旋式上升。

2.3 《模擬集成電路》實(shí)踐教學(xué)

模擬集成電路是芯片的重要組成部分，模擬集成電路工程師也是芯片相關(guān)企業(yè)亟需的人才之一。培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力是集成電路專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)。理論教學(xué)和案例教學(xué)中的主動(dòng)方是教師，學(xué)生是參與方和受眾方。而在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生成為主動(dòng)方，教師轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)助方。通過設(shè)置難度漸升的課程實(shí)踐題目，如基于某一CMOS工藝進(jìn)行nMOS/pMOS管V-I特性曲線仿真、nMOS與pMOS管匹配、反相器電路“輸入-輸出”特性調(diào)試、上升沿與下降沿的優(yōu)化、單級(jí)放大器設(shè)計(jì)、差分放大器設(shè)計(jì)、密勒補(bǔ)償設(shè)計(jì)、多級(jí)放大器補(bǔ)償、版圖匹配設(shè)計(jì)等小課題，結(jié)合理論教學(xué)和案例教學(xué)，可快速提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、分析能力、電路設(shè)計(jì)能力。實(shí)現(xiàn)學(xué)生“理論學(xué)習(xí)-案例分析-實(shí)踐設(shè)計(jì)-反饋不足-深化理解-理論學(xué)習(xí)”的知識(shí)與能力閉環(huán)提高[13,14]。同時(shí)針對(duì)實(shí)踐教學(xué)中的問題，及時(shí)反饋與總結(jié)，不斷完善理論教學(xué)與案例教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教師在“理論教學(xué)-案例教學(xué)-實(shí)踐教學(xué)”中的閉環(huán)提高。

此外，在實(shí)踐教學(xué)過程中，還需注意開展集成電路實(shí)踐平臺(tái)的培訓(xùn)。集成電路設(shè)計(jì)實(shí)踐需要一定的設(shè)備、場(chǎng)地和軟件環(huán)境；特別是軟件環(huán)境涉及Linux、Cadence、Hspice等系統(tǒng)與軟件，需要教師向?qū)W生提供基本操作和語法方面的入門講解[6,10]。以Cadence軟件為例，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要基于工藝廠商的芯片設(shè)計(jì)套件（如中興國際SMIC或臺(tái)積電TSMC），調(diào)用所需的元器件進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)并修改器件參數(shù)。完成電路圖初始設(shè)計(jì)后，需進(jìn)行電路仿真并調(diào)整器件參數(shù)，使得電路整體參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。完成電路級(jí)設(shè)計(jì)與仿真后，以電路圖為藍(lán)本，進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)，并對(duì)寄生參數(shù)抽取進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

上述軟件是集成電路設(shè)計(jì)不可缺少的工具，也是開展其他集成電路相關(guān)課程學(xué)習(xí)的必備軟件。這一教學(xué)過程需要進(jìn)行軟件培訓(xùn)、在線交流與學(xué)生實(shí)踐。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)教學(xué)快速發(fā)展的條件下，這部分學(xué)習(xí)內(nèi)容可以通過錄制軟件使用方法視頻的方式，讓學(xué)生在課余時(shí)間進(jìn)行自學(xué)。學(xué)生通過觀看教學(xué)視頻，避免傳統(tǒng)課堂教學(xué)中各學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度不一致的弊端，根據(jù)個(gè)人理解快慢自行調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度，提高學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)語

集成電路是我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，并已上升為國家戰(zhàn)略，它的發(fā)展離不開專業(yè)人才。2020年7月，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)投票通過集成電路專業(yè)作為一級(jí)學(xué)科，將從電子科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科中獨(dú)立出來的提案。這些舉措有助于緩解集成電路產(chǎn)業(yè)人才供需的缺口問題。專業(yè)人才培養(yǎng)需要建立科學(xué)合理的課程培養(yǎng)方案。《模擬集成電路》是該專業(yè)的核心課程之一，在教學(xué)內(nèi)容中需要將半導(dǎo)體材料、器件、電路、版圖等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，形成獨(dú)具特色的專業(yè)課程。在案例教學(xué)中，既強(qiáng)調(diào)理論理解與掌握，又重視學(xué)生針對(duì)具體問題的分析與真實(shí)芯片的使用。在實(shí)踐教學(xué)過程中，側(cè)重鍛煉學(xué)生對(duì)軟件平臺(tái)的自學(xué)能力，同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的融合能力、動(dòng)手實(shí)踐能力。通過對(duì)課程教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)的精心設(shè)計(jì)，采用多種教學(xué)手段提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生能夠掌握基礎(chǔ)知識(shí)，通過芯片案例分析強(qiáng)化理論基礎(chǔ)，最后實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)電路、消化吸收課程精華、提高學(xué)習(xí)能力與實(shí)踐能力。