《模擬集成電路》課程教學內容及教學方法探析

段志奎，王昕

（佛山科學技術學院電子信息工程學院，廣東佛山 528225）

集成電路是新一代信息技術的核心支撐，是我國“十四五”規劃中與新一代人工智能、量子信息、腦科學、基因與生物、臨床醫學與健康、深空深地深海和極地探測并列的七大科技前沿領域之一。模擬集成電路是集成電路的重要研究領域之一，是現實世界與數字世界的橋梁，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工作的必備基礎。

在國家大力發展半導體與集成電路產業背景下，很多高校相繼開設集成電路相關課程，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的教學學時和內容方面略有不同，但是教學內容總體上主要包括半導體器件、晶體管原理、運算放大器原理與設計、頻率響應、穩定性與頻率補償、噪聲、反饋、振蕩器、工藝與版圖等內容[1,2,3]。教學目的是通過課程教學，使學生具備基本的集成電路設計、版圖設計、仿真驗證等基礎知識和技能[4,5]，了解集成電路設計、芯片制造工藝、流片、封測等環節，能夠適應集成電路領域用人單位的實際需求。根據廣東省集成電路產業發展現狀，結合專業學生學情特點，筆者對該課程的教學內容和方法進行探索與討論。

1 教學內容探析

《模擬集成電路》課程涵蓋半導體器件、電路原理、芯片版圖等知識，是理論與設計實踐結合性很強的課程[6-8]。國內高校開設的《模擬集成電路》課程與學生未來的就業崗位、企業需求相結合[9,10]，在規劃、設計教學內容時，將半導體器件與版圖設計相結合、電路仿真與版圖后仿真相結合、電路設計與芯片可測性相結合，體現芯片設計的實踐性，提高學生對芯片設計、仿真、驗證、流片、封裝、測試等環節的整體認識，為后續課程開展打好基礎。在具體知識內容上，目前普遍選用拉扎維、艾倫或格雷等編著的國內外經典書籍作為教材。教學時從半導體器件的物理結構、晶體管V-I特性入手，繼而由單一器件到單級放大器，由單級放大器到差分放大器、多級放大器、振蕩器、帶隙基準，進而介紹頻率特性、噪聲、反饋、穩定性與補償等知識，在知識體系與結構上較為合理。模擬集成電路主要包括時鐘類電路、電源類電路、信號處理類電路，其中放大器在三類電路中應用最為廣泛。以信號處理類電路為例，其核心思想是對信號進行多次迭代的濾波與放大。因此在實際教學過程中，放大器是重點，是最常用的電路。其設計與分析涉及晶體管尺寸參數調節、電路增益、帶寬、反饋、補償、功耗、版圖對稱等電路設計所要考慮的核心問題。此外還涉及電路設計軟件、仿真軟件、版圖軟件等虛擬設計平臺的使用與實踐?？梢哉f通過放大器的教學，可以將模擬電路課程中的絕大部分知識關聯起來，打破章節與知識點孤島。

在教學過程中，需要教師根據本地產業布局特點[11]，對集成電路應用方面進行適當擴展。例如大灣區電子信息產業鏈條在廣州、深圳、佛山、東莞、珠海、中山等城市的布局特點，對芯片設計、流片、封裝、測試，芯片模組，電子產品進行延展，從應用需求反向推導芯片功能與性能、芯片中模擬電路的功能與參數，最后回到課程教學中的電路分析與設計，形成知識閉環、邏輯閉環、應用閉環，提高學生課程學習的目的性，實現學生學之所用。

2 教學方法探析

2.1 理論教學

目前高校教學設備信息水平已顯著提高，多媒體設備足以支撐動畫、視頻等教學手段。在利用多媒體展示半導體器件和集成電路物理結構和特性的同時，還可以借助云服務器構建模擬集成電路設計與仿真平臺。線下授課向學生講解電路分析及其參數指標的同時，通過云平臺現場進行電路仿真與驗證。根據課程知識點，采用不同電路形式進行講解與分析，實現線下理論講解、課上動畫PPT演示、云平臺設計與仿真實踐，使學生能夠高效理解與掌握知識點，并掌握相應的電路設計與仿真方法。例如講授運算放大器內容時，可從放大器增益和相位裕度的理論推導入手，講解每個晶體管對增益的影響、晶體管參數對增益的影響，增益表達式中對應的參數是什么；相位裕度對電路穩定性的決定作用、電路中零點與極點對相位裕度的影響、零點/極點受哪些電路器件的影響、如何調整零點/極點等。通過PPT動畫展示電流在差分情況下對輸出級的推挽效果，進而分析電路響應速度與功耗之間的關系，以及在版圖設計時要考慮器件的對稱性布局、如何通過版圖設計降低電源噪聲等；最后通過云平臺對運算放大器電路進行仿真，驗證某一器件參數變化引起電路各種性能指標的改變。通過上述多種手段，改變傳統理論教學枯燥無趣的上課體驗，提高學生對知識點的理解和掌握程度。

2.2 芯片案例教學

理論教學中的芯片案例教學具有很強的實踐性和參與性，同時也能將所講授的模擬電路與現實芯片進行關聯與驗證[12]。例如選取合適的運算放大器芯片或者鎖相環芯片，將模擬電路分析與仿真等理論知識與現實芯片測試進行對比，經過分組討論，將抽象的電路功能、性能參數等方面的教學內容賦予現實應用意義，并以芯片應用和實測的形式印證理論教學中的內容。以放大器芯片為例，挑選一款芯片，采用信號發生器和示波器等設備，通過分組測試放大器，分析與驗證集成電路的頻率響應、帶寬等參數；通過級聯放大器、形成負反饋電路結構，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、仿真驗證、芯片產品、芯片模組、應用設備串聯起來，做到教學與現實相統一。

從教學目標和能力培養方面看，這樣的案例式互動教學能夠促使學生從解決現實問題的角度來重新認識模擬集成電路的重要作用，使學生從被動的課堂教學受眾轉變為以知識去解決問題的“工程師”，加深對模擬電路教學內容的理解。從素質教學目標來看，可以提高學生認識、學習、分析、解決問題的能力，促進學生能力的螺旋式上升。

2.3 《模擬集成電路》實踐教學

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企業亟需的人才之一。培養學生的實踐能力是集成電路專業的教學目標。理論教學和案例教學中的主動方是教師，學生是參與方和受眾方。而在實踐教學環節中，學生成為主動方，教師轉變為協助方。通過設置難度漸升的課程實踐題目，如基于某一CMOS工藝進行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”特性調試、上升沿與下降沿的優化、單級放大器設計、差分放大器設計、密勒補償設計、多級放大器補償、版圖匹配設計等小課題，結合理論教學和案例教學，可快速提高學生學習能力、分析能力、電路設計能力。實現學生“理論學習-案例分析-實踐設計-反饋不足-深化理解-理論學習”的知識與能力閉環提高[13,14]。同時針對實踐教學中的問題，及時反饋與總結，不斷完善理論教學與案例教學，實現教師在“理論教學-案例教學-實踐教學”中的閉環提高。

此外，在實踐教學過程中，還需注意開展集成電路實踐平臺的培訓。集成電路設計實踐需要一定的設備、場地和軟件環境；特別是軟件環境涉及Linux、Cadence、Hspice等系統與軟件，需要教師向學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，在進行電路設計時，需要基于工藝廠商的芯片設計套件（如中興國際SMIC或臺積電TSMC），調用所需的元器件進行電路圖設計并修改器件參數。完成電路圖初始設計后，需進行電路仿真并調整器件參數，使得電路整體參數達到設計預期。完成電路級設計與仿真后，以電路圖為藍本，進行電路版圖設計，并對寄生參數抽取進行仿真驗證。

上述軟件是集成電路設計不可缺少的工具，也是開展其他集成電路相關課程學習的必備軟件。這一教學過程需要進行軟件培訓、在線交流與學生實踐。在當前網絡教學快速發展的條件下，這部分學習內容可以通過錄制軟件使用方法視頻的方式，讓學生在課余時間進行自學。學生通過觀看教學視頻，避免傳統課堂教學中各學生學習進度不一致的弊端，根據個人理解快慢自行調整學習進度，提高學習效率。

3 結語

集成電路是我國戰略新興產業之一，并已上升為國家戰略，它的發展離不開專業人才。2020年7月，國務院學位委員會投票通過集成電路專業作為一級學科，將從電子科學與技術一級學科中獨立出來的提案。這些舉措有助于緩解集成電路產業人才供需的缺口問題。專業人才培養需要建立科學合理的課程培養方案。《模擬集成電路》是該專業的核心課程之一，在教學內容中需要將半導體材料、器件、電路、版圖等相關知識進行有機融合，形成獨具特色的專業課程。在案例教學中，既強調理論理解與掌握，又重視學生針對具體問題的分析與真實芯片的使用。在實踐教學過程中，側重鍛煉學生對軟件平臺的自學能力，同時強化學生對理論知識理解與現實應用的融合能力、動手實踐能力。通過對課程教學各個環節的精心設計，采用多種教學手段提高學生的學習興趣，讓學生能夠掌握基礎知識，通過芯片案例分析強化理論基礎，最后實現自行設計電路、消化吸收課程精華、提高學習能力與實踐能力。