段志奎，王昕

（佛山科學技術(shù)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(shù)的核心支撐，是我國“十四五”規(guī)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(yī)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(lǐng)域之一。模擬集成電路是集成電路的重要研究領(lǐng)域之一，是現(xiàn)實世界與數(shù)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(guān)工作的必備基礎(chǔ)。

在國家大力發(fā)展半導體與集成電路產(chǎn)業(yè)背景下，很多高校相繼開設(shè)集成電路相關(guān)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(yè)的教學學時和內(nèi)容方面略有不同，但是教學內(nèi)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(shè)計、頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性與頻率補償、噪聲、反饋、振蕩器、工藝與版圖等內(nèi)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(shè)計、版圖設(shè)計、仿真驗證等基礎(chǔ)知識和技能[4,5]，了解集成電路設(shè)計、芯片制造工藝、流片、封測等環(huán)節(jié)，能夠適應(yīng)集成電路領(lǐng)域用人單位的實際需求。根據(jù)廣東省集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合專業(yè)學生學情特點，筆者對該課程的教學內(nèi)容和方法進行探索與討論。

1 教學內(nèi)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(shè)計實踐結(jié)合性很強的課程[6-8]。國內(nèi)高校開設(shè)的《模擬集成電路》課程與學生未來的就業(yè)崗位、企業(yè)需求相結(jié)合[9,10]，在規(guī)劃、設(shè)計教學內(nèi)容時，將半導體器件與版圖設(shè)計相結(jié)合、電路仿真與版圖后仿真相結(jié)合、電路設(shè)計與芯片可測性相結(jié)合，體現(xiàn)芯片設(shè)計的實踐性，提高學生對芯片設(shè)計、仿真、驗證、流片、封裝、測試等環(huán)節(jié)的整體認識，為后續(xù)課程開展打好基礎(chǔ)。在具體知識內(nèi)容上，目前普遍選用拉扎維、艾倫或格雷等編著的國內(nèi)外經(jīng)典書籍作為教材。教學時從半導體器件的物理結(jié)構(gòu)、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(wěn)定性與補償?shù)戎R，在知識體系與結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)計與分析涉及晶體管尺寸參數(shù)調(diào)節(jié)、電路增益、帶寬、反饋、補償、功耗、版圖對稱等電路設(shè)計所要考慮的核心問題。此外還涉及電路設(shè)計軟件、仿真軟件、版圖軟件等虛擬設(shè)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(guān)聯(lián)起來，打破章節(jié)與知識點孤島。

在教學過程中，需要教師根據(jù)本地產(chǎn)業(yè)布局特點[11]，對集成電路應(yīng)用方面進行適當擴展。例如大灣區(qū)電子信息產(chǎn)業(yè)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(shè)計、流片、封裝、測試，芯片模組，電子產(chǎn)品進行延展，從應(yīng)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(shù)，最后回到課程教學中的電路分析與設(shè)計，形成知識閉環(huán)、邏輯閉環(huán)、應(yīng)用閉環(huán)，提高學生課程學習的目的性，實現(xiàn)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(shè)備信息水平已顯著提高，多媒體設(shè)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(jié)構(gòu)和特性的同時，還可以借助云服務(wù)器構(gòu)建模擬集成電路設(shè)計與仿真平臺。線下授課向?qū)W生講解電路分析及其參數(shù)指標的同時，通過云平臺現(xiàn)場進行電路仿真與驗證。根據(jù)課程知識點，采用不同電路形式進行講解與分析，實現(xiàn)線下理論講解、課上動畫PPT演示、云平臺設(shè)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(yīng)的電路設(shè)計與仿真方法。例如講授運算放大器內(nèi)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(shù)對增益的影響，增益表達式中對應(yīng)的參數(shù)是什么；相位裕度對電路穩(wěn)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(diào)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(yīng)速度與功耗之間的關(guān)系，以及在版圖設(shè)計時要考慮器件的對稱性布局、如何通過版圖設(shè)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(shù)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(tǒng)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(xiàn)實芯片進行關(guān)聯(lián)與驗證[12]。例如選取合適的運算放大器芯片或者鎖相環(huán)芯片，將模擬電路分析與仿真等理論知識與現(xiàn)實芯片測試進行對比，經(jīng)過分組討論，將抽象的電路功能、性能參數(shù)等方面的教學內(nèi)容賦予現(xiàn)實應(yīng)用意義，并以芯片應(yīng)用和實測的形式印證理論教學中的內(nèi)容。以放大器芯片為例，挑選一款芯片，采用信號發(fā)生器和示波器等設(shè)備，通過分組測試放大器，分析與驗證集成電路的頻率響應(yīng)、帶寬等參數(shù)；通過級聯(lián)放大器、形成負反饋電路結(jié)構(gòu)，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(chǎn)品、芯片模組、應(yīng)用設(shè)備串聯(lián)起來，做到教學與現(xiàn)實相統(tǒng)一。

從教學目標和能力培養(yǎng)方面看，這樣的案例式互動教學能夠促使學生從解決現(xiàn)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(zhuǎn)變?yōu)橐灾R去解決問題的“工程師”，加深對模擬電路教學內(nèi)容的理解。從素質(zhì)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(guān)企業(yè)亟需的人才之一。培養(yǎng)學生的實踐能力是集成電路專業(yè)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(huán)節(jié)中，學生成為主動方，教師轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)助方。通過設(shè)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(diào)試、上升沿與下降沿的優(yōu)化、單級放大器設(shè)計、差分放大器設(shè)計、密勒補償設(shè)計、多級放大器補償、版圖匹配設(shè)計等小課題，結(jié)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(shè)計能力。實現(xiàn)學生“理論學習-案例分析-實踐設(shè)計-反饋不足-深化理解-理論學習”的知識與能力閉環(huán)提高[13,14]。同時針對實踐教學中的問題，及時反饋與總結(jié)，不斷完善理論教學與案例教學，實現(xiàn)教師在“理論教學-案例教學-實踐教學”中的閉環(huán)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(shè)計實踐需要一定的設(shè)備、場地和軟件環(huán)境；特別是軟件環(huán)境涉及Linux、Cadence、Hspice等系統(tǒng)與軟件，需要教師向?qū)W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(shè)計時，需要基于工藝廠商的芯片設(shè)計套件（如中興國際SMIC或臺積電TSMC），調(diào)用所需的元器件進行電路圖設(shè)計并修改器件參數(shù)。完成電路圖初始設(shè)計后，需進行電路仿真并調(diào)整器件參數(shù)，使得電路整體參數(shù)達到設(shè)計預期。完成電路級設(shè)計與仿真后，以電路圖為藍本，進行電路版圖設(shè)計，并對寄生參數(shù)抽取進行仿真驗證。

上述軟件是集成電路設(shè)計不可缺少的工具，也是開展其他集成電路相關(guān)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(wǎng)絡(luò)教學快速發(fā)展的條件下，這部分學習內(nèi)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(tǒng)課堂教學中各學生學習進度不一致的弊端，根據(jù)個人理解快慢自行調(diào)整學習進度，提高學習效率。

3 結(jié)語

集成電路是我國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，并已上升為國家戰(zhàn)略，它的發(fā)展離不開專業(yè)人才。2020年7月，國務(wù)院學位委員會投票通過集成電路專業(yè)作為一級學科，將從電子科學與技術(shù)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(chǎn)業(yè)人才供需的缺口問題。專業(yè)人才培養(yǎng)需要建立科學合理的課程培養(yǎng)方案?！赌M集成電路》是該專業(yè)的核心課程之一，在教學內(nèi)容中需要將半導體材料、器件、電路、版圖等相關(guān)知識進行有機融合，形成獨具特色的專業(yè)課程。在案例教學中，既強調(diào)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(cè)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(xiàn)實應(yīng)用的融合能力、動手實踐能力。通過對課程教學各個環(huán)節(jié)的精心設(shè)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(chǔ)知識，通過芯片案例分析強化理論基礎(chǔ)，最后實現(xiàn)自行設(shè)計電路、消化吸收課程精華、提高學習能力與實踐能力。