西安交通大學(xué)微電子學(xué)系 張 鴻

淺談集成電路設(shè)計(jì)競賽對《模擬集成電路設(shè)計(jì)》課程教學(xué)的促進(jìn)作用

西安交通大學(xué)微電子學(xué)系 張 鴻

近年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但卻面臨著優(yōu)秀設(shè)計(jì)人才嚴(yán)重匱乏的困境。高校開設(shè)的集成電路設(shè)計(jì)課程與目前集成電路的快速發(fā)展存在一定程度的脫節(jié)，是導(dǎo)致這一問題的主要原因之一?！赌M集成電路設(shè)計(jì)》是目前高校微電子專業(yè)的核心課程之一，涵蓋知識(shí)面廣、抽象程度高，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度較大。對該課程多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，將實(shí)踐與教學(xué)緊密結(jié)合，是提升教學(xué)效果的有效方法。集成電路設(shè)計(jì)大賽這種方式一方面為模擬集成電路的教學(xué)提供了高水平的實(shí)踐平臺(tái)，使學(xué)生能夠通過比賽加深對課程內(nèi)容的理解，提升了教學(xué)效果；另一方面，大賽也促進(jìn)了高校與高校、高校和企業(yè)在集成電路設(shè)計(jì)方面的交流； 更重要的是大賽通過競技的方式激發(fā)了教師和學(xué)生的創(chuàng)新思維，能夠進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)的科研進(jìn)展。

集成電路；《模擬集成電路設(shè)計(jì)》課程；教學(xué)

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國家的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性產(chǎn)業(yè)。我國面對新的經(jīng)濟(jì)興起和國際競爭格局，必須建立起自己強(qiáng)大的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，為信息產(chǎn)業(yè)和整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，除需要解決技術(shù)和市場面臨的種種問題外，還必須從根本上解決集成電路人才培養(yǎng)的問題，從而為整個(gè)集成電路的科研和生產(chǎn)源源不斷地培養(yǎng)出符合行業(yè)要求，能與工程實(shí)踐接軌的各類人才，尤其是設(shè)計(jì)類人才。

普遍而言，模擬集成電路相對于數(shù)字集成電路對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和智慧要求更高，模擬設(shè)計(jì)工程師通常需要更長期的實(shí)踐積累，才能達(dá)到很高的設(shè)計(jì)水平。高校開設(shè)的模擬集成電路設(shè)計(jì)課程作為該類人才培養(yǎng)的核心課程，其教學(xué)效果對激發(fā)相關(guān)學(xué)生的興趣，積累扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)創(chuàng)新的思維模式有著至關(guān)重要的作用。然而，模擬集成電路課程的學(xué)習(xí)不但需要以半導(dǎo)體物理、器件和電路等物理類課程作為基礎(chǔ)，又需要以信號(hào)與系統(tǒng)和自動(dòng)控制原理等系統(tǒng)級(jí)課程中的理論作為電路設(shè)計(jì)與分析的依據(jù)，涵蓋知識(shí)面廣、抽象程度高。因此，學(xué)生普遍反映該課程的學(xué)習(xí)難度較大。根據(jù)筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年對模擬集成電路課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在理論教學(xué)過程中有機(jī)地結(jié)合各種形式的實(shí)踐，是提升該課程教學(xué)效果行之有效的手段。一般而言，高校針對該課程開設(shè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)的通常采用課程設(shè)計(jì)的方式，這對加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力并加強(qiáng)對理論知識(shí)的理解有著積極的作用。但是，這類實(shí)踐內(nèi)容和形式相對固定，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

集成電路設(shè)計(jì)大賽這種方式一方面為模擬集成電路的教學(xué)提供了更高水平的實(shí)踐平臺(tái)，使學(xué)生能夠通過比賽加深對課程內(nèi)容的理解，提升了教學(xué)效果；另一方面，大賽也促進(jìn)了高校與高校、高校和企業(yè)在集成電路設(shè)計(jì)方面的交流； 更重要的是大賽通過競技的方式激發(fā)了教師和學(xué)生的創(chuàng)新思維，能夠進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)的科研進(jìn)展。

本文將簡要分析模擬集成電路設(shè)計(jì)課程目前在教學(xué)中面臨的困境，在此基礎(chǔ)上闡述實(shí)踐對課程教學(xué)效果的重要作用，并重點(diǎn)分享指導(dǎo)學(xué)生參加本次集成電路設(shè)計(jì)大賽的一些心得和體會(huì)。

1 模擬集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)面臨的困境

結(jié)合筆者所在團(tuán)隊(duì)多年本科、研究生教學(xué)中所積累的經(jīng)驗(yàn)，模擬集成電路的教育目前主要面臨以下困難。

1.1 教材陳舊，翻譯較為粗糙

現(xiàn)在本科生、研究生手中的教材多為一些入門級(jí)的經(jīng)典教材，這些教材雖然很適合學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建和對集成電路行業(yè)形成初步理解，但在現(xiàn)在這樣一個(gè)集成電路技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，這些教材往往與現(xiàn)代的工程實(shí)踐存在較大的脫節(jié)。除此之外，一些教材的翻譯水平往往參差不齊。一些教材在國外被奉為經(jīng)典，被翻譯成中文后卻枯燥無味、連篇累牘。還經(jīng)常出現(xiàn)由不同的人員翻譯不同的章節(jié)，使整本書連貫性差，使學(xué)生對知識(shí)的理解不夠透徹。

1.2 理論教學(xué)與實(shí)踐存在一定的脫節(jié)

學(xué)生往往容易過于依賴書本，脫離實(shí)踐。在對本科生的教學(xué)中，許多學(xué)生對教材中內(nèi)容掌握的相當(dāng)透徹，考試也能得到一個(gè)相比較理想的分?jǐn)?shù)。但結(jié)合具體的電路真正做起來卻一籌莫展，感覺自己無從下手。有些學(xué)生熟知運(yùn)算放大器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，卻不知道這些指標(biāo)會(huì)對一個(gè)具體的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路造成什么影響，這都是由于脫離工程實(shí)踐所造成的。學(xué)生們普遍都表現(xiàn)出了對仿真軟件及仿真方法不熟悉，對實(shí)際應(yīng)用中電路元件的非理想特性不適應(yīng)，對版圖知識(shí)的欠缺等問題。

1.3 教師和學(xué)生創(chuàng)新思維不足

創(chuàng)新是人類進(jìn)步的源泉，而創(chuàng)新的火花往往是在實(shí)踐中所遇到挫折的激勵(lì)下迸發(fā)出來的，脫離了實(shí)踐便無從談創(chuàng)新，創(chuàng)新的可行性也必須由實(shí)踐來檢驗(yàn)。如果學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，那么他們便很難意識(shí)到已有電路結(jié)構(gòu)中所存在的問題，意識(shí)不到問題何談利用創(chuàng)新思維來解決問題呢？長此以往，思維之水遲滯而不前，怎能匯聚成江河之波濤披荊斬棘，一往無前。

2 教學(xué)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合是突破困境的有效措施

模擬集成電路設(shè)計(jì)課程本身涵蓋知識(shí)面廣、容較為抽象，再加上教材較為陳舊，翻譯教材又通常較為粗糙，僅依靠課堂教學(xué)很難達(dá)到理想的教學(xué)效果，更談不上創(chuàng)新思維的培養(yǎng)了。為了解決這些問題，我們探索了一些將實(shí)踐和理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合的有效方法，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 穿插必要的課后實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合

為了使學(xué)生能夠及時(shí)地通過實(shí)踐加深對所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，在理論教學(xué)階段根據(jù)教學(xué)進(jìn)度加入了多個(gè)必要的課后實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以使學(xué)生及時(shí)地通過實(shí)驗(yàn)加深對所學(xué)理論知識(shí)的理解，提升實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，同時(shí)達(dá)到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。根據(jù)本課程以及模擬集成電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，課后實(shí)驗(yàn)只需要學(xué)生在自己的個(gè)人電腦上安裝業(yè)界通用的仿真軟件（Hspice），老師再提供集成電路代工廠的CMOS器件模型文件，學(xué)生就可以方便地進(jìn)行模擬電路的仿真分析，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。

2.2 增加集中實(shí)驗(yàn)的覆蓋面

在集中進(jìn)行了課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)階段，為了使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)更為全面地掌握所學(xué)的理論知識(shí)，并有效地提升模擬集成電路設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，我們設(shè)計(jì)多個(gè)內(nèi)容豐富的題目包括：帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)、高性能運(yùn)放設(shè)計(jì)、振蕩器設(shè)計(jì)、跨導(dǎo)放大器設(shè)計(jì)和高精度比較器設(shè)計(jì)等。題目的設(shè)計(jì)涵蓋了整個(gè)理論教學(xué)的內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中，除了以上幾個(gè)題目的講解外，還加入了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所必須的軟件使用指導(dǎo)和工藝器件模型仿真等內(nèi)容。這些精心設(shè)計(jì)的集中實(shí)踐題目，大大提升了學(xué)生對所學(xué)理論知識(shí)的掌握程度，并加強(qiáng)了他們的動(dòng)手能力，以及分析問題和解決問題的能力。

2.3 通過參加集成電路設(shè)計(jì)大賽，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維

集成電路設(shè)計(jì)大賽為學(xué)生的實(shí)踐提供了一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)，其特有的激勵(lì)方式更能激發(fā)學(xué)生參與競賽，進(jìn)行課程內(nèi)容實(shí)踐的興趣。通常，大賽的題目并不規(guī)定具體的電路形式，要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)只有下限，不設(shè)上限，最終通過綜合評比的方式確定獲獎(jiǎng)?wù)摺＿@種實(shí)踐方式顯然比以上兩種傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)更能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3 指導(dǎo)學(xué)生參加“第五屆大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”的心得和體會(huì)

2015年，筆者帶領(lǐng)課題組三名本科畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生（大四）參加了“第五屆大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽”，并選擇了“超低功耗帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)”的比賽命題，三名學(xué)生分別在大三第二學(xué)期和大四第一學(xué)期上了模擬集成電路設(shè)計(jì)課程和相應(yīng)的集中課程設(shè)計(jì)。

該比賽命題要求以極低的功耗和面積實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有低溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)。接受命題后，學(xué)生很快意識(shí)到教科書上的傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)由于使用了電阻，必然存在功耗和面積的折衷。為了同時(shí)極小的面積和極低功耗，必須尋求新的結(jié)構(gòu)。在查閱大量的相關(guān)科技論文后，決定采用近年才報(bào)道的無電阻帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)來完成比賽[1,2]。為了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，要求學(xué)生突破已有文獻(xiàn)的限制，分析其結(jié)構(gòu)還存在的問題，以及可改進(jìn)和提升的可能。

接受任務(wù)后，由于有了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，三位學(xué)生顯示出了極大的熱情，并經(jīng)過大量的電路仿真分析，發(fā)現(xiàn)原有電路中正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的正溫度系數(shù)過低，致使需要多個(gè)子級(jí)級(jí)聯(lián)才能達(dá)到需要的正溫度系數(shù)，增大了面積和功耗。發(fā)現(xiàn)這一問題后，學(xué)生們有致力于探索具有更大輸出斜率的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路。經(jīng)過反復(fù)的討論和仿真分析，最終研究出了一種具有更高補(bǔ)償能力的正溫度系數(shù)電路，將電路級(jí)數(shù)有原來的5級(jí)降為2級(jí)，顯著地降低了電路的面積和功耗。隨后，為了進(jìn)一步降低溫度系數(shù)，又自行設(shè)計(jì)了二階溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和修調(diào)電路，把溫度漂移系數(shù)穩(wěn)定地降到了10ppm/℃以下。

之后，學(xué)生順利地完成了版圖設(shè)計(jì)和后仿真驗(yàn)證。最終，憑借創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電路性能，該電路獲得了“超低功耗帶隙基準(zhǔn)”組唯一的一個(gè)一等獎(jiǎng)。

學(xué)生們在大賽中獲得了優(yōu)異成績，作為指導(dǎo)教師也獲益良多。在參與此次大賽之前，我在本科生《模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)》和研究生《CMOS模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)》的授課中，是這樣教書授課的：老師是主體，承擔(dān)主要任務(wù)，盡管一節(jié)課下來累的大汗淋漓，也要把所有知識(shí)點(diǎn)講解的透徹明白，希望學(xué)生學(xué)到更多。在參與指導(dǎo)此次大賽之后，我意識(shí)到學(xué)的多固然重要，但如果學(xué)生沒有了創(chuàng)新精神，那他所學(xué)到的知識(shí)只不過是一潭死水。一潭死水怎么能比上一泓清泉？我們教師在教授知識(shí)的同時(shí)，也一定要讓學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)“流動(dòng)”起來。而實(shí)踐就是創(chuàng)新的土壤，創(chuàng)新的種子只有在實(shí)踐的土壤中才能開花、結(jié)果。而大賽正是提供了這樣一種創(chuàng)新的土壤，使得教師和學(xué)生的創(chuàng)新思想得以發(fā)揮。

希望大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)大賽越辦越好，在大學(xué)生集成電路設(shè)計(jì)實(shí)踐和創(chuàng)新思維培養(yǎng)等方面發(fā)揮更加重要的作用！

[1]Y．Osaki,T．Hirose,and N．Kuroki．1．2-V Supply,100-nW,1．09-V Bandgap and 0．7-V Supply, 52．5-nW,0．55-VSubbandgapReference Circuits for Nanowatt CMOS LSIs, IEEE J．Solid-State Circuits,vol．48,no．6,pp．1503-1538,Jun．2013．

[2]Hong Zhang,Dong Li,Qing Wang,Jie Zhang, Chong Li,Ruizhi Zhang．A resistor-less bandgap reference with improved PTAT generator for ultra-low-power LSIs,2014 IEEE Faible Tension Faible Consommation(FTFC),pp．1,4, 4-6 May 2014．(EI:20142817931726))．

張鴻（1978-），男，博士，西安交通大學(xué)微電子學(xué)系，副教授。