“模擬集成電路”課程教學內(nèi)容的探討

粟 濤，謝德英

(中山大學物理科學與工程技術(shù)學院，廣東 廣州 510275)

由于“模擬集成電路”課程沒有統(tǒng)一的教學大綱，如果開設(shè)此課需要自行確定教學內(nèi)容。雖然目前我國出版了多種模擬集成電路教材［1-10］，但難以確定最佳的標準教材。本文提出采用CESA(Course Extracted from the State of Art)法選取教材，即直接從模擬集成電路研究的前沿現(xiàn)狀，提取最重要和最基礎(chǔ)的概念和方法，作為課程教學的內(nèi)容，并解決了合理性問題。

1 CESA法的合理性和具體操作

筆者認為通過調(diào)研近年來模擬集成電路領(lǐng)域的科研文獻來獲得本課程的內(nèi)容，是較為合理的。因為這是一門幫助學生進入一個行業(yè)從事生產(chǎn)實踐和科學研究的后端專業(yè)課，其內(nèi)容應該是近年成熟的知識總結(jié)。此外CESA法有具體的操作步驟，因此其過程可被重復。

CESA法的具體操作為:①尋找“模擬集成電路”術(shù)語的起源，并給予明確的定義;②從科研文獻中篩選出與該術(shù)語相關(guān)的文獻作為素材;③在素材中收集常見的概念，將概念劃分為不同的種類后歸類;④以這些概念為核心，補充必要的輔助知識，就可以構(gòu)建本課程的內(nèi)容。

CESA法的素材必須有較高的學術(shù)水平，并且應該覆蓋當今模擬集成電路的各個重要專題。素材對各專題的覆蓋，能反映當今世界對模擬集成電路各話題的關(guān)注度和參與度。IEEE國際固體電路會議ISSCC的論文集能夠滿足這些要求。本文選用了其2010年的大會論文集［11］中模擬集成電路的部分，共59篇作為素材。從素材中可以總結(jié)出554個概念。這些概念可以按照應用背景、信號噪聲及其操作、電路類型、功能模塊、單元電路、電路組分、電路工作條件、改良技術(shù)、制造工藝和仿真技術(shù)等門類進行分類和總結(jié)。經(jīng)過整理和篩檢之后，就構(gòu)成本課的教學內(nèi)容。

2 “模擬集成電路”課程方案

2.1 課程層次

由前面的分析可以看出，模擬集成電路包含大量的概念。企圖通過一個學期的教學使學生掌握這些概念并不現(xiàn)實，應將其分成初級課和高級課兩門課來講。初級課講述簡單的、基礎(chǔ)的和寬泛的概念，以及理解這些概念所需要的知識和方法。高級課講述復雜的、先進的和細節(jié)的概念。

2.2 “初級模擬集成電路”課程內(nèi)容

“初級模擬集成電路”首先對模擬集成電路進行定位。課程的主體部分介紹基本工藝、基本電路結(jié)構(gòu)和基本性能。電路結(jié)構(gòu)部分包括電路組成、單元電路和功能模塊里比較基礎(chǔ)的概念。在講述電路結(jié)構(gòu)的同時，會講到關(guān)于信號和噪聲的概念及其基本性能。為了驗證理論并培養(yǎng)應用能力，課程還需開設(shè)實驗項目，做實驗需要學習使用軟件和工藝文件。實驗以素材中常見電路結(jié)構(gòu)為原型，從最簡單的元器件做起，逐步復雜化。具體安排見表1，共需48個學時。

2.3 “高級模擬集成電路”課程內(nèi)容

“高級模擬集成電路”介紹簡單的電路模塊和復雜的電路模塊、電路優(yōu)化方法和實驗部分。可以直接用文獻素材作為案例講述復雜電路模塊的各種優(yōu)化方案。講完案例之后，就可以做項目設(shè)計。項目設(shè)計的課題就是素材里的各個復雜電路模塊。學生做的項目設(shè)計與科研熱點一致，具有實際應用意義，也能拉近教學和科研的距離。此外，學生還可以直接參考新近的科研文獻來完成自己的設(shè)計，從這些文獻中獲得大量的信息和幫助。為了讓學生能深入體會各設(shè)計的細節(jié)，只需先擇一個項目完成即可。該課程的具體內(nèi)容見表2，共需48個學時。

表1 “初級模擬集成電路”課程內(nèi)容

表2 “高級模擬集成電路”課程內(nèi)容

3 本文方案與已有教學方案的比較

2010年ISSCC會議模擬集成電路的相關(guān)分會場主席主要來自如下大學:柏林工業(yè)大學(柏林工大)、香港中文大學(香港中大)、香港科技大學(香港科大)、俄勒岡州立大學(俄州大學)和東京大學。上述五所大學中的四所，其“模擬集成電路”課程設(shè)置見表3［12-16］。因東京大學的網(wǎng)頁上沒有模擬集成電路教學信息，故表3中因此沒有其信息［17］。將本文方案與這幾所代表性大學相同課程的教學方案進行比較既可以從經(jīng)驗的角度印證本文方案的合理性，又可以顯示出本文方案的特色。

表3 四所大學的模擬集成電路課程

(1)本文方案和柏林工業(yè)大學方案都按簡單電路到復雜電路，再到較大設(shè)計項目的順序?qū)φn程分級。本文方案初級電路的與“0433L603”都包含工藝、版圖、器件、電流源、基準、放大器和設(shè)計軟件。本文方案的高級電路與“0433L613”都包含高端放大器和數(shù)模，模數(shù)轉(zhuǎn)換器。“0433L619”是一個較大型的實驗設(shè)計，這與高級電路第16至20章的思路一致。但前者要求做出實物器件并測試。總的來說，本文方案比柏工大方案在知識面上介紹較多，在實踐環(huán)節(jié)上簡單一些。

(2)本文方案與香港中文大學方案也都將課程分級。該校“ELEG4260”介紹了數(shù)字和模擬兩類集成電路，覆蓋了本文方案初級電路里的工藝、版圖、器件和簡單放大器的內(nèi)容。該課程的電流源、電壓基準、濾波器、開關(guān)電容網(wǎng)絡等內(nèi)容被放在“ELEG5723”里，它的其他內(nèi)容都被初級電路覆蓋。但“初級電路”里的發(fā)生器、驅(qū)動電路、接收處理器沒有在中大的課程里出現(xiàn)。“ELEG5723”的其他內(nèi)容都被“初級電路”覆蓋。香港中大在實驗方面的情況未知。總的來說，本文方案比香港中大的在電路結(jié)構(gòu)、仿真方面的覆蓋面大一點，也深一點。

(3)香港科技大學方案也將課程進行了分級。“ELEC4410”包含了工藝、版圖和器件的內(nèi)容，“EESM5100”包含了輸出驅(qū)動、電流源、放大器和一些單元電路的內(nèi)容。“EESM5200”包含了濾波器、開關(guān)電容網(wǎng)絡、采樣保持電路等內(nèi)容。本文方案但沒有“EESM5200”還與“高級電路”一樣都包含有乘法器、積分器、振蕩器、鎖相環(huán)、混頻器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。但“EESM5200”里沒有發(fā)生器、驅(qū)動電路、高端放大器、電壓轉(zhuǎn)換器和探測器這些內(nèi)容。

從上面的比較可知，本文將模擬集成電路分成初級和高級兩門課程的做法是與代表性學校的做法一致的。本文方案包含這些代表性教學方案的所有重要概念。除了共同點，本文方案在結(jié)構(gòu)、知識面和深度上又和其他學校的不同，具有自己的特色。

［1］拉扎維著，陳貴燦等譯.模擬CMOS集成電路設(shè)計［M］.西安:西安交通大學出版社，2002

［2］Gray著，張曉林等譯.模擬集成電路的分析與設(shè)計(第四版)［M］.北京:高等教育出版社，2005

［3］桑森著，陳瑩梅 譯.模擬集成電路設(shè)計精粹［M］:北京:清華大學出版社，2008

［4］貝克著，劉艷艷等譯.CMOS電路設(shè)計、布局與仿真(第二版)［M］.北京:人民郵電出版社，2008

［5］何樂年等.模擬集成電路設(shè)計與仿真［M］.北京:科學出版社，2008

［6］池保勇.模擬集成電路與系統(tǒng)［M］.北京:清華大學出版社，2009

［7］魏廷存等.模擬CMOS集成電路設(shè)計［M］.北京:清華大學出版社，2010

［8］艾倫等著，馮軍譯.CMOS模擬集成電路設(shè)計(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011

［9］吳建輝.CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(第二版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011

［10］洪志良.模擬集成電路分析與設(shè)計(第二版)［M］.北京:科學出版社，2011

［11］IEEE.Digest of Technical Papers of IEEE International Solid-State Circuits Conference［C］，1-520 頁:IEEE，2010

［12］Lehrangebot Sommersemester［EB/OL］.http://www.meis.tuberlin.de/menue/studium_und_lehre/lehrangebot_ss，2011

［13］Undergraduate Courses［EB/OL］.http://www.ee.cuhk.edu.hk/u_courses.php，2011

［14］Undergraduate Courses［EB/OL］.http://www.ece.ust.hk/public/programs/ug_course.html，2011

［15］Postgraduate Courses［EB/OL］.http://www.ece.ust.hk/public/programs/pg_course.html，2011

［16］Classes［EB/OL］.http://classes.engr.oregonstate.edu/eecs/，2011