模擬集成電路設計課程實驗項目驅動式教學改革

劉海濤， 唐 枋， 林 智， 黃興發(fā)， 甘 平

（1.重慶大學微電子與通信工程學院，重慶 400044；2.中國電子科技集團公司第24 研究所，重慶 400060）

0 引 言

集成電路產業(yè)是關系國民經濟與社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、支柱性產業(yè)，對推動國家發(fā)展、經濟建設、保障國家安全和提高人民生活水平起著至關重要的作用［1-3］。目前我國集成電路設計人才嚴重不足，要推動集成電路的發(fā)展，急需高校培養(yǎng)優(yōu)秀的專業(yè)性人才［4］。模擬集成電路設計課程目標是培養(yǎng)學生掌握模擬集成電路的理論知識和分析計算方法，具備使用EDA軟件進行電路和版圖設計的能力。

目前，各高校模擬集成電路設計課程實驗項目主要局限于簡單電路仿真或對電路原理驗證，體現核心芯片設計能力的獨立功能電路設計、版圖設計及后仿真、芯片流片等工程實踐過程未涉及或較少涉及，無法涵蓋集成電路設計全流程所需技能的培養(yǎng)［5-8］。學生對于實驗目標認識抽象，造成學生的實踐能力無法滿足社會對集成電路設計人才的需求，與國家提倡的新工科背景下工程能力培養(yǎng)目標不一致。

針對目前存在的問題，改革模擬集成電路設計課程實驗內容，以完成與企業(yè)合作的工程項目作為實驗目標，圍繞實驗目標分解成由易及難的幾個實驗題目，分階段、分步驟完成實驗目標。該方案能通過實驗有效培養(yǎng)學生的模擬集成電路全定制設計能力，有效推動模擬集成電路工程應用型人才培養(yǎng)模式改革。

本文以“帶隙基準電壓源芯片全定制設計實驗為例”，闡述模擬集成電路設計實驗課程項目驅動式教學改革實施內容和步驟。

1 教學改革內容實施和方案

1.1 確立實驗目標

基于與中國電科第24 研究所合作的工程項目，結合學生實際情況，確定實驗目標：采用臺灣聯華電子公司的商用UMC0.35μmBiCOMS 工藝，設計與電源和工藝無關、-20 ～85 ℃溫漂小于20 μV/℃、輸出電壓1.24 V的帶隙基準電壓源，完成電路及版圖設計，最后提交IC代工廠完成芯片流片。

經典的帶隙基準是利用一個具有正溫度系數的電壓與具有負溫度系數的電壓相加，兩者溫度系數相互抵消，實現與溫度無關的電壓基準，約為1.25 V［9］。本項目在分析各種帶隙基準電壓源的基礎上［10-12］，提出帶電流鏡的帶隙基準電壓源電路結構，如圖1 所示。其中A為運算放大器，M1～M3為PMOS管，Q1～Q3為PNP晶體管，R1、Rref為電阻。

圖1 帶隙基準電壓源電路結構

該基準電壓源利用晶體管的基極-發(fā)射極電壓UBE的負溫度特性，與2 個晶體管的UBE電壓之差ΔUBE的正溫度特性相互抵消，從而獲得溫度系數為零的基準輸出電壓

針對由于MOS 管閾值電壓不同引起的偏差而導致輸出基準電壓精度的下降［13］，采用寬長比小的MOS管來降低。同時，采用長溝道器件減小溝道長度調制效應帶來的影響。但長溝道器件寄生效應相對較大［14］，對于這種情況，可以通過用多個小尺寸器件代替長溝道器件。

1.2 設置實驗題目

根據實驗目標設置4 個難度和復雜度逐漸遞增的實驗題目。

實驗1運算放大器電路設計。

運算放大器作為帶隙基準源的核心器件，同時設計難度不太大，因此首先設計運算放大器。采用以電流鏡為負載的差分輸入兩級運算放大器電路結構，運用密勒補償改善電路的頻率特性。在Cadence Virtuoso軟件中設計電路原理圖，如圖2 所示。

圖2 運算放大器電路圖

完成電路原理圖后，在10 Hz ～10 GHz 范圍內前仿真DC掃描特性及AC頻率特性。如未達到要求，則優(yōu)化電路設計。

實驗2運算放大器版圖設計。

在任何一個版圖設計中，最初的任務是版圖布局。布局首先應盡可能與功能框圖或電路圖一致，然后根據模塊的面積大小進行調整。舉例來說，對于多級放大器的底層電路應該排在一行上，這樣輸入輸出部分就位于模塊兩端，從而減小由于不可預見的反饋而引起的不穩(wěn)定。參考版圖如圖3 所示。

圖3 運算放大器版圖

接下來，運行DRC（設計規(guī)則檢查）、LVS（版圖原理圖對比）和PEX（寄生參數提取），并仿真，如未達到要求，則優(yōu)化版圖設計。

實驗3帶隙基準電壓源電路設計。

調用實驗2 所設計的運算放大器以及三極管、電阻、電容等基本元器件，設計帶隙基準電壓源電路，如圖4 所示。

圖4 帶隙基準電壓源電路

完成電路原理圖后，建立檢測電路進行DC 掃描分析，得到合適的r0=1.32 kΩ。在此參數下再通過DC掃描分析得到帶隙基準的溫度特性，如圖5 所示。在-20 ～85 ℃溫漂約為11 μV/℃，達到要求。如未達到實驗要求，則優(yōu)化電路設計。

圖5 溫度特性前仿真結果

實驗4帶隙基準電壓源版圖設計。

對照電路原理圖，利用匹配要求對帶隙基準中心的雙極型晶體管匹配［15］。然后再利用之前實驗學習到的布局布線方法進行總體布局，布局時要考慮MOS器件匹配的全套規(guī)則［16-17］。完成的參考版圖如圖6所示。接下來搭建測試電路，進行版圖參數提取后的DC溫度特性仿真，結果如圖7 所示。在-20 ～85 ℃溫漂19 μV/℃、輸出電壓1.24 V，達到實驗要求。如前、后仿真差別太大或指標達不到要求，則對電路或版圖進行優(yōu)化。

圖6 基準電壓源參考版圖

圖7 溫度特性后仿真結果

最后，還有一個非常重要的環(huán)節(jié)就是設計芯片的PAD，保證芯片流片后能正常工作。該步驟也是實現設計工程化的關鍵環(huán)節(jié)之一。最后總的版圖如圖8 所示，為保證MPW（多項目晶圓）順利流片，芯片布局要盡量做到緊湊，總面積大小為400 μm×400 μm。

圖8 添加PAD后的電路版圖

1.3 芯片流片及測試分析

通過MPW 方式完成流片，成本僅為單獨原型制造成本的5% ～10%，能極大地降低流片的費用。通過集成電路專業(yè)學生“一生一芯”計劃的實施，提供了流片的基本費用。學生作品流片后的芯片實物顯微照片，如圖9 所示。

圖9 學生作品流片后的芯片

2 實施效果

通過對流片回來的芯片裸片鍵合到測試PCB 板上，綁線鍵合后進行性能測試，并分析測試結果。學生通過觀察到芯片實物并測試性能，對實驗的認知更深刻，實驗效果更顯著。

通過改革方案的實施，培養(yǎng)的學生參與集成電路專業(yè)競賽取得了優(yōu)異的成績，推免國內外知名高校、科研院所研究生效果顯著，受到集成電路相關用人單位的青睞；同時，實驗改革方案獲得全國高校電子信息類專業(yè)課程實驗教學案例設計競賽全國一等獎和教學成果獎。實踐成果證明方案是成功有效的。

3 結 語

為了更好發(fā)揮實驗教學在培養(yǎng)學生工程實踐能力和開拓創(chuàng)新思維的重要作用，在分析當今模擬集成電路設計課程實驗教學的現狀及存在的問題基礎上，提出模擬集成電路設計課程實驗項目驅動式教學改革思路，并以“帶隙基準電壓源芯片全定制設計實驗”為例，詳細闡述了課程實驗項目驅動式教學改革實施方案。從實施效果可以看出，課程實驗項目驅動式教學改革能加深學生對課程內容的理解，培養(yǎng)學生扎實的工程實踐能力，響應國家對高校“新工科”建設的新要求。