“集成電路原理與應用”課程實踐教學改革探索

孫 靜，周細鳳，田 莉，李延平，張向華，李 立

（湖南工程學院 電氣信息學院，湖南 湘潭 411101）

隨著科學技術的不斷進步，電子產品向著智能化、小型化和低功耗發展.集成電路技術的不斷進步，推動著計算機等電子產品的不斷更新換代，同時也推動著整個信息產業的發展[1].因此，對集成電路相關人員的需求也日益增加.目前國內不僅“985”、“211”等重點院校開設了集成電路相關課程，一些普通本科院校也開設了這些課程.課程的教學內容由單純的器件物理轉變為包含模擬集成電路、數字集成電路、集成電路工藝、集成電路封裝和集成電路測試等[2].隨著本科畢業生就業壓力的不斷增加，培養應用型、創新型本科人才顯得日益重要.然而，從目前我國各高校集成電路的課程設置來看，存在著重理論輕實踐、重講授輕考核等問題，導致學生被動接受，學習積極性不高，動手能力差，不能適應企業的要求.

本文結合湖南工程學院電氣信息學院電子科學與技術專業的實際，詳細闡述了當前“集成電路原理與應用”課程實踐教學中存在的問題，介紹了該課程的教學改革措施，旨在提高電子科學與技術專業學生的專業興趣，將理論與實際相結合，培養學生的創新意識和實踐能力.

1 “集成電路原理與應用”課程實踐教學存在的主要問題

1.1 實驗教學課時少，學生動手能力差

集成電路是電子科學與技術專業的培養方向之一.學生無論是選擇就業還是繼續深造，熟練掌握一些常用的集成電路EDA軟件是必不可少的，這也是畢業后能夠盡快融入工作或攻讀研究生的基礎.但本課程沒有單獨開設實驗課程，只有10課時實驗，遠遠不能滿足課程的要求，學生得到訓練的機會比較少，動手能力很差.另外，對于集成電路來說，大量的理論基礎，如固體物理、半導體物理、晶體管原理，均要求學生的數學功底要好.這對于數學基礎較差的學生來說，則產生畏難心理.而實驗課作為引起學生學習興趣的重要手段，較少的課時也不能提高學生的學習興趣.

1.2 理論與實驗不能很好地結合

圖1 (a)含有二極管的仿真電路圖，(b)二極管的I-V特性曲線

在當今的集成電路設計中，電路仿真是必不可少的.但是學生不善于對電路進行簡單、直觀的分析，不深入理解電路的工作原理，因此就不能準確的解釋仿真結果.在實驗過程中，學生按照實驗指導書按部就班的進行操作，出了結果則萬事大吉，對于仿真出來的結果有什么物理含義，其影響因素是什么則一無所知.如，本課程的第一次實驗是Cadence入門，其目的在于學會用Cadence觀察二極管的I-V特性，如圖1所示.其中圖1(a)為含有二極管的仿真電路圖，圖1(b)為二極管的I-V特性曲線，為Cadence仿真圖.在實驗的過程中，很多同學按照實驗指導書，得出了二極管的I-V特性曲線.但是當老師檢查結果時，問仿真出來的是什么？學生則一臉茫然，不能與“模擬電子技術”課程上所學的理論知識聯系起來.

2 “集成電路原理與應用”課程實踐教學改革

2.1 明確目標，強化實驗環節考核

目前，“集成電路原理與應用”課程的實驗僅有10學時，這10學時還包括1-2學時的Cadence軟件以及操作系統的熟悉時間，遠遠不能滿足學生將理論融入實踐的需求.因此，建議實驗學時應從原來的10學時，增加到32學時.實驗內容包括Cadence入門、基本半導體器件的電學性能測試及仿真、基本門電路的設計與仿真、BJT管的版圖設計、MOS管的版圖設計、CMOS反相器的版圖設計、觸發器、存儲器設計等.

為了提高實驗教學效果，在實驗過程中，要不斷進行考核.下面以全定制模擬集成電路的典型設計流程[3]（圖2所示）為例，來說明強化實驗環節考核的方式.在集成電路的整個設計流程中，由于流片費用很高，導致這一步無法實現.另外，對于剛剛接觸集成電路設計的本科生來說，尤其是我校電子科學與技術專業的學生，一個實驗不可能包括這些所有步驟.因此，在實驗過程中，我們將這些步驟分別展開成一個個獨立的實驗目標，并對實驗的每一步驟制訂了相應的考核內容，使得學生在實驗的每一步驟都有一個明確的目標，進而提高學生學習目的性和動手的積極性，見表1所示.通過在多個實驗中對集成電路的設計流程進行重復操作、考核，加深了學生對Cadence軟件的熟悉程度，使學生可以熟練掌握集成電路的設計方法和流程.當學生對相關內容融會貫通以后，就可以獨立的進行集成電路的設計，動手能力得到了提高.

圖2 全定制模擬集成電路的典型設計流程圖

表1 集成電路的設計流程及考核內容表

2.2 解釋實驗現象，加深對理論知識的理解

目前，學生認為學習理論知識無用，而做實驗，又覺得一無所獲.歸其原因，是理論知識和實驗現象不能很好地結合起來.針對此現象，我們在實驗中引導學生觀察實驗結果來解釋抽象的理論知識，并使用理論知識來解決實驗過程中所遇到的問題和故障，取得了很好的效果.圖3(a)所示是一個電阻R0做負載的共源級放大器，利用Cadence軟件仿真研究了不同負載電阻R0對共源級放大電路輸出電壓的影響，如圖3(b)所示.通過仿真，發現該電路的增益（圖中斜線的斜率）隨負載電阻R0的增大而增大，而輸入輸出擺幅則隨著負載電阻R0的增大而減小.在教學過程中，就需要引導學生將直觀的仿真結果與理論聯系起來.在理論課堂上，我們對圖3(a)這個電路進行了大信號和小信號分析.對于該電路的小信號模型，理論推導了它的增益為[4]

并對該結果進行了討論，討論結果如下：（1）增大電阻負載R0可以提高增益；（2）較大的電阻負載R0會限制電路的最大電壓擺幅.當時，學生對于這個討論結果，在大腦中一帶而過，沒有什么印象.通過實驗與理論進行聯系，學生有了直觀的認識，加深了對枯燥的理論知識的理解.

圖3 (a)電阻做負載的共源級放大器，(b)不同電阻負載下，共源級放大器的輸入-輸出電壓曲線

2.3 參加競賽，參與項目，校企聯合培養

鼓勵學生積極參加國家級、省級的各類電子設計大賽，通過賽前培訓以及比賽的實戰訓練，提高學生的實踐能力和創新能力.鼓勵學生參與教師的科研項目，利用所學的理論知識，深入研究解決復雜的實際問題，進而提高學生的綜合能力.

積極聯系與集成電路相關的設計公司、制造企業以及代工廠，邀請企業的工程師來學校講學.一是通過舉辦講座，使學生對集成電路行業有更多的了解，知道自己需要掌握哪些知識，畢業后可以從事哪方面的工作，進而鞭策自己為達到目標，主動學習.另外，和企業工程師一起制定一些適合學生實際的項目，解決學校培養與企業用人之間的脫節問題，讓學生畢業后，在很短的時間內就能參與到企業的生產實踐中.

3 結語

集成電路自二十世紀五十年代被提出以來，經歷了小規模、中規模、大規模、超大規模、甚大規模，目前已經進入到了片上系統階段.雖然集成電路的發展日新月異，但集成電路相關人才的學校培養與社會需求存在很大的差距.因此，對集成電路相關課程的教學改革刻不容緩.基于此，本文從“集成電路原理與應用”課程實踐教學出發，詳細闡述了“集成電路原理與應用”課程實踐教學所存在的主要問題，并有針對性的提出了該課程教學內容和教學方法的改革措施，這對培養應用型、創新型的集成電路相關專業的本科畢業生具有積極的指導意義.

〔1〕楊媛，余寧梅，高勇.半導體集成電路課程改革的探索和思考[J].中國科教創新導刊，2008（3）：78-79.

〔2〕殷樹娟.集成電路設計專業的本科實踐教學探索[J].實驗室研究與探索，2013,32（12）：148-151.

〔3〕韓雁.集成電路設計CAD/EDA工具實用教程[M].北京：機械工業出版社，2010.

〔4〕畢查德·拉扎維著，陳貴燦，程軍，張瑞智等譯.模擬CMOS集成電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2003.