摘要：在“模擬集成電路設(shè)計”課程項目化教學(xué)實踐與改革探索中，筆者選擇具有代表性的企業(yè)工程項目作為教學(xué)案例，從LDO電路的測試結(jié)果著手，將電路工作現(xiàn)象與課堂所授理論相結(jié)合，以項目為主線組織教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生參與項目設(shè)計全過程并有針對性地提出項目電路改進方案，大大激發(fā)了學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣。通過項目化教學(xué)，提升了學(xué)生的專業(yè)理論知識水平與解決工程問題的實踐能力，同時提升了學(xué)生的專業(yè)認同感、職業(yè)自信等。

關(guān)鍵詞：集成電路教學(xué)；工程教育；項目化教學(xué)；課程考核

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.063

中圖分類號：G 42；TN 4 " " " " "文獻標(biāo)志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-0-04

Project Based Teaching Practice of Analog Integrated Circuit Design Course

--Taking LDO Engineering Project as an Example

PENG Jianjun， LIU Bing

（Wuxi Vocational College of Science and Technology， Wuxi 214028， China）

Abstract： In the project-based teaching practice and reform exploration of the course \"Analog Integrated Circuit Design\"， representative enterprise engineering projects are selected as teaching cases. Starting from the test results of LDO circuits， the circuit working phenomena are combined with the theories taught in the classroom， and the teaching content is organized with the project as the main line， allowing students to participate in the entire process of project design and propose targeted improvement plans for project circuits， greatly stimulating students' interest in learning this course. Through project-based teaching， students' professional theoretical knowledge level and practical ability to solve engineering problems have been improved， while also enhancing their professional identity and career confidence.

Keywords： integrated circuit teaching; engineering education; project-based teaching; course assessment

時下新技術(shù)、新工藝層出不窮，如何改革教學(xué)方法以提升學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，轉(zhuǎn)變一直以來重理論、輕實踐的教學(xué)方式，仍然是職業(yè)教育面臨的重要問題?！澳M集成電路設(shè)計”課程作為集成電路專業(yè)學(xué)生的專業(yè)核心課程，如何改進教學(xué)方法、推進項目化教學(xué)，提高教學(xué)目標(biāo)達成度，是教學(xué)工作中值得深入研究的課題。

1 " 教學(xué)項目選取

1.1 教學(xué)改革背景

電路仿真、測試與版圖設(shè)計能力是高職院校集成電路專業(yè)的重要培養(yǎng)技能目標(biāo)，因此相關(guān)專業(yè)核心課程不僅要重視理論教學(xué)，對教學(xué)中的工程實踐也提出了很高的要求。集成電路產(chǎn)業(yè)特征表明，推動技術(shù)發(fā)展的主要動力來自工程創(chuàng)新，前沿技術(shù)一般最早出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)界，因此高職院校要積極推動產(chǎn)學(xué)研深度融合，主動從企業(yè)一線尋找項目、借鑒經(jīng)驗并應(yīng)用于教學(xué)。在教學(xué)實踐中，要重視“以項目為主線”的“學(xué)中做、做中學(xué)”教學(xué)流程的建立，將新方法、新技術(shù)、新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)快速融入人才培養(yǎng)全過程。

高職院校要積極推動課程建設(shè)與師資培養(yǎng)在企業(yè)生產(chǎn)一線生根發(fā)芽，不斷汲取養(yǎng)分，以工程實踐反哺教學(xué)。同時，通過將教育資源導(dǎo)入企業(yè)，高職院校、企業(yè)的科技人員合作攻關(guān)，可將實驗室合作研究成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，推進“區(qū)校一體”的高層次發(fā)展，形成正向反饋推動機制，進一步提升項目化教學(xué)成效。在此過程中，遵循技術(shù)技能人才培養(yǎng)規(guī)律，堅持產(chǎn)業(yè)、行業(yè)、企業(yè)、職業(yè)、專業(yè)相互聯(lián)動，推進集成電路產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)教資源集聚與協(xié)作共享。

1.2 工程項目選題

職業(yè)教育跟普通教育的主要區(qū)別就在于其目標(biāo)是培養(yǎng)技術(shù)技能人才，將技術(shù)運用于生產(chǎn)過程。一方面，項目在取材時注意選擇來源于企業(yè)工程的實際開發(fā)項目，避免“紙上談兵”，尤其應(yīng)當(dāng)對標(biāo)企業(yè)在芯片產(chǎn)品開發(fā)中的指標(biāo)，關(guān)注電源電路工作穩(wěn)定性、能效與成本，以增強產(chǎn)品競爭力為項目設(shè)計目標(biāo)；同時，芯片采用當(dāng)前主流CMOS工藝，結(jié)合課程建設(shè)需要，在教學(xué)中引入項目全流程，讓學(xué)生有機會接觸企業(yè)一線的工程項目。

正如以上所述，項目的選題要具有代表性、貼近企業(yè)生產(chǎn)一線，例如，LDO電路作為一種常見的供電電路，其輸出電壓的穩(wěn)定性對片上系統(tǒng)工作的可靠性起到非常重要的作用。項目電路不僅應(yīng)用廣泛，而且復(fù)雜度適中，涵蓋較多的教程知識點。當(dāng)前，新型LDO的發(fā)展趨勢包括：超低功率延長電池使用壽命[1]，低至100 mV的超低壓差提高了穩(wěn)壓器的工作效率，低于30 μVrm的噪聲性能小輸出電容或無輸出電容節(jié)約空間等。因此將其選取作為項目教學(xué)中典型實踐案例，對LDO電路在工作時出現(xiàn)鋸齒波的現(xiàn)象進行深入分析，基于仿真與測量數(shù)據(jù)找出問題的根源，論述改進設(shè)計方法。

2 " 項目教學(xué)分析

2.1 教學(xué)目標(biāo)

在選擇教學(xué)內(nèi)容時，必須重視知識內(nèi)容的先進性與實用性，使學(xué)生獲取行業(yè)最新的、主流的知識從而增長工作技能，最終應(yīng)用在集成電路工作崗位形成生產(chǎn)力。

“模擬集成電路設(shè)計”課程采用“以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方法，教學(xué)項目的選取注重項目的代表性、實用性和先進性。其中，所選取的LDO電路設(shè)計項目有一定的綜合性、設(shè)計代表性，技術(shù)難度適中，設(shè)計過程清晰，便于學(xué)生實踐。該項目教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)如表1所示。

在教學(xué)實踐中應(yīng)全方位、多角度宣講國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展所取得的巨大成就，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷與民族榮譽感，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識與大國工匠精神，樹立科技報國志向。

2.2 教學(xué)設(shè)計

由課程負責(zé)人組織教研組教師共同商議編制教學(xué)計劃，學(xué)校教務(wù)與質(zhì)量管理部門對其中的課程目標(biāo)、授課內(nèi)容、考核方式等進行審核，提升相關(guān)學(xué)科課程之間的銜接水平，提高學(xué)生對課程理論與相應(yīng)實踐操作的學(xué)習(xí)興趣?！澳M集成電路設(shè)計”課程的前導(dǎo)課程、后續(xù)課程設(shè)置銜接得當(dāng)，全面促進了學(xué)生畢業(yè)時、就業(yè)后的能力目標(biāo)的培養(yǎng)與達成。集成電路專業(yè)課程設(shè)置如表2所示。

在多媒體課件制作、教材知識補充、配套練習(xí)題建設(shè)、實踐項目選題等方面，要結(jié)合新的教學(xué)內(nèi)容探索教法并改進課程實踐。知識點依布魯姆的認知教學(xué)目標(biāo)（知道、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評價）設(shè)置教學(xué)要求，在教材中補充實際電路分析、設(shè)計和仿真實踐類指導(dǎo)方面內(nèi)容，通過從工程實踐的案例中取材，將所學(xué)課程知識相串聯(lián)，促進理論到實踐的轉(zhuǎn)化，使學(xué)生后續(xù)課程學(xué)習(xí)或者畢業(yè)后的工作體現(xiàn)學(xué)以致用的理念。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計也體現(xiàn)了“區(qū)校一體”的發(fā)展理念，探索高職院校人才培養(yǎng)的創(chuàng)新模式[2]。

在“模擬集成電路設(shè)計”課程的教學(xué)實踐中，發(fā)現(xiàn)對理論教學(xué)中的一些重點、難點內(nèi)容，學(xué)生經(jīng)常反饋在掌握上有難度，例如，“電路穩(wěn)定性”的概念便是難點之一。有關(guān)“相位裕度”“極點”的運用不少學(xué)生反映難以掌握。由于學(xué)時有限，目前教學(xué)計劃中的內(nèi)容已很難完成，如再補充學(xué)時，將一門課學(xué)時增加，會導(dǎo)致課程內(nèi)容龐雜，也不利于教學(xué)。在兩級放大器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意，可以通過相位補償，使用極點分裂電容的方法來實現(xiàn)，在講授中突出該電路表現(xiàn)出的極點、零點分布特征：包含兩個極點和一個右半平面零點，兩個放大級之間的極點由于米勒效應(yīng)的影響被推到低頻端，而放大器第二級輸出節(jié)點處的極點被推至高頻端。通過在教學(xué)中對極點分裂概念的講述，結(jié)合幅度-相位曲線指出該方法對于改善電路系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。仍以兩級放大器穩(wěn)定性的設(shè)計為例，可以在教學(xué)內(nèi)容中引入實際工程案例，把實際案例所包含的理論要點分解到教學(xué)課程中，使用電路設(shè)計案例，從工程實踐的角度出發(fā)，逐步闡述工程案例中包含的電路理論、關(guān)鍵技術(shù)。

項目設(shè)計采用PMOS作為輸出調(diào)整管，與誤差放大器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、帶隙基準(zhǔn)電路一起組成LDO電路。當(dāng)電路啟動時，恒流源給整個電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立，輸出電壓不斷上升，根據(jù)分壓原理Vout＝（R1＋R2）/R2×Vref，當(dāng)輸出即將達到預(yù)定值時，分壓電阻上的反饋電壓接近于基準(zhǔn)電壓值，此時誤差放大器將反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差信號進行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大傳輸?shù)捷敵龆诵纬韶摲答?，使輸出電壓不受輸入電壓和溫度變化的影響?/p>

在課堂教學(xué)實踐中，結(jié)合課堂重要知識點，例如，負載調(diào)整率[3]知識點，制作PPT與視頻，可視化呈現(xiàn)電路術(shù)語，幫助學(xué)生建立直觀認識，理解調(diào)整LDO負載調(diào)整率的必要性，理解LDO電路的負載電流在大電流與小電流之間切換，輸出端的上沖、下沖電壓與負載調(diào)整率參數(shù)之間的關(guān)系表示，進而認識到負載調(diào)整率與輸出電壓波動抑制能力強弱之間聯(lián)系。在舉例中，鼓勵學(xué)生培養(yǎng)整體觀、大局觀，一般設(shè)計要求LDO電路有較高的低頻開環(huán)增益，但過大的低頻增益會展寬LDO電路的帶寬，將高頻寄生極點設(shè)置在單位增益頻率內(nèi)，從而降低了系統(tǒng)的相位裕度，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定[4]，該分析展現(xiàn)了單一指標(biāo)的實現(xiàn)，不代表系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)，因此產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)實踐要兼顧個體目標(biāo)與全局效果間關(guān)系調(diào)整。

3 " 項目教學(xué)實踐

3.1 測試與實踐

本案例教學(xué)中結(jié)合某工程項目中的LDO電路測試案例，從多角度幫助學(xué)生深化對LDO電路穩(wěn)定性的理解。例如，測試發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象之一是，LDO電路當(dāng)負載電流約為30 μA時，輸出電壓波形上有200 kHz頻率的抖動，幅度約180 mV。如果負載電流變大到300 μA以上，該鋸齒波信號消失。組織學(xué)生觀察該現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生自主思考現(xiàn)象產(chǎn)生原因，同時提出一種假設(shè)作為對學(xué)生思考的啟發(fā)。設(shè)想“出現(xiàn)的振蕩是由負載調(diào)整率的影響引起，那么輸出端應(yīng)有周期性的電流變化”。但是，測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)負載電流不變時，此振蕩信號仍然存在，鼓勵學(xué)生自行得出結(jié)論，排除此因素的影響。檢測輸出端電壓與基準(zhǔn)值比較后的信號，利用控制MOS管的通斷來維持輸出電壓的穩(wěn)定，這在工作模式上與開關(guān)電源電路在控制機理上相近[5]。

在教學(xué)中講解示波器測量LDO輸入電源電壓原理，采用預(yù)先錄制的視頻或者時域仿真圖形的方式展現(xiàn)，如圖1所示。PSRR反應(yīng)了LDO不受電源的噪聲與電壓波動、保持輸出電壓穩(wěn)定的能力。在測試中，采用穩(wěn)定無波動的電源供電，發(fā)現(xiàn)紋波仍存在，另外給電源施以不同頻率的正弦波發(fā)現(xiàn)輸出電壓紋波無變化，因此排除該因素影響的可能性。

在電路案例的分析中，突出電路工作的核心特征，該電路中的開關(guān)管導(dǎo)通對電容器充電，當(dāng)輸出電壓達到設(shè)定數(shù)值時充電停止；開關(guān)管斷開，電容器經(jīng)負載電阻放電，此動態(tài)工作過程適宜采用多媒體視頻的方式來演示，讓學(xué)生直觀地觀察改變開關(guān)管的占空比以控制輸出電壓的過程，增進對這類開關(guān)電源電路的理解。

這一過程體現(xiàn)了CDIO（Conceiving/Designing/Implementing/Operating，構(gòu)思/設(shè)計/實現(xiàn)/運作）的理念，通過項目化教學(xué)，讓學(xué)生體會工程實踐和電路工作理論之間的有機聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力、溝通交流與表達能力以及團隊合作精神[6]。在實驗中，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，其中方案設(shè)計、組裝調(diào)試、設(shè)計報告均由學(xué)生獨立完成，強化學(xué)生在電路分析、實踐動手能力方面的訓(xùn)練，同時為競賽選拔人才。

3.2 項目改進

項目的優(yōu)化與改進是在項目實踐教學(xué)中的一項重要環(huán)節(jié)。通過項目測試發(fā)現(xiàn)存在的問題，鼓勵學(xué)生思考項目中提高LDO電路穩(wěn)定性的方法。讓學(xué)生認識到通過合理設(shè)置電路的兩個極點位置，使電路增益下降到0 dB附近時，回路相位裕度仍比較高，電路可以保持穩(wěn)定工作。根據(jù)輸出節(jié)點上的電容性負載值、兩級跨導(dǎo)的比值等參數(shù)，改進電路設(shè)計。不僅在課堂教學(xué)中要采用提問、隨堂測試等方式，誘導(dǎo)學(xué)生在課堂上主動思考，課后也要求學(xué)生完成相應(yīng)項目設(shè)計和大作業(yè)。鼓勵學(xué)生分析振蕩信號產(chǎn)生原因，認識到現(xiàn)象與LDO回路相位裕度不夠大之間的聯(lián)系。在回路振蕩信號約200 kHz時；當(dāng)負載電流達到毫安電流量級以上時，該低頻振蕩波形消失。在完成前仿真、版圖設(shè)計的實踐教學(xué)之后，鼓勵部分掌握程度較好的學(xué)生嘗試進行版圖規(guī)則檢查與邏輯驗證，熟悉集成電路設(shè)計的全流程操作。

3.3 總結(jié)與拓展

課堂講授LDO電路的基本工作原理與重要參數(shù)含義，培養(yǎng)學(xué)生在具備電路仿真、EDA軟件操作與版圖繪制能力的基礎(chǔ)上，適當(dāng)補充拓展知識講授與練習(xí)環(huán)節(jié)，在分層教學(xué)實踐中，提高部分優(yōu)秀學(xué)生的興趣與職業(yè)適應(yīng)能力。理論教學(xué)階段通過理論知識的講授，目標(biāo)是讓學(xué)生了解基本模塊的工作原理，這是進行集成電路設(shè)計、仿真、測試驗證過程的基礎(chǔ)與前提。在實踐、實訓(xùn)階段，培養(yǎng)學(xué)生熟悉使用電路設(shè)計軟件工具與測量設(shè)備的能力，讓學(xué)生能夠具備獨立設(shè)計模塊電路的能力。

通過課堂提問、課后作業(yè)，了解學(xué)生對項目有關(guān)知識、技能掌握狀況，完成項目的基礎(chǔ)實驗實踐、理論講授之后，布置拓展學(xué)習(xí)內(nèi)容。由于當(dāng)前電路存在負載調(diào)整率問題，另外使用片外電容也要求多占用芯片引腳與電路板面積，鼓勵學(xué)生在仿真中嘗試采用無片外電容的LDO電路結(jié)構(gòu)，通過調(diào)試電路參數(shù)，使負載調(diào)整率、相位裕度等參數(shù)能夠符合設(shè)計要求。

項目實踐是一次較為系統(tǒng)的設(shè)計方法訓(xùn)練，不僅可以鞏固課堂和教材上的內(nèi)容，還可以參照實際項目的工程指標(biāo)，鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計能力，貼近企業(yè)對人才能力的實際需求。

4 " 教學(xué)評價與改進

教學(xué)考核的目的是對已完成的教學(xué)實施情況進行評價、總結(jié)，以便在后續(xù)教學(xué)中進行改進。尤其對于電路設(shè)計這種實踐性很強的課程，要采取總結(jié)性考試的方式，更應(yīng)當(dāng)突出過程性考核的作用。另外，對課程中的實踐環(huán)節(jié)的考核采用布置大作業(yè)形式，讓學(xué)生根據(jù)選題主動查閱文獻進行設(shè)計，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

在學(xué)生情況調(diào)查中發(fā)現(xiàn)存在一些問題：多數(shù)學(xué)生認為講授的理論與實習(xí)、工作中的工程項目存在差距，在校期間只有少數(shù)學(xué)生在課后與工程項目設(shè)計有接觸，很少有學(xué)生主動聯(lián)系教師去討論工程實踐問題，普遍存在缺乏探究鉆研精神的現(xiàn)象。為了糾正學(xué)生中存在的這種風(fēng)氣，通過研究項目化教學(xué)，以提高學(xué)生在學(xué)習(xí)、實踐中的興趣、參與度上發(fā)揮的作用。從測驗成績分布來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、對知識的掌握等方面有了較大提高。

為此，在“模擬集成電路設(shè)計”課程的教學(xué)實踐中，任課教師從多方面著手努力提升培養(yǎng)實效。教學(xué)班建立課程QQ群，學(xué)生在課程中遇到困難時可以更方便地聯(lián)系教師提問，教師每周安排固定時間在教研室、課程QQ群為學(xué)生做輔導(dǎo)答疑，每次課程開始之前在群里發(fā)布預(yù)習(xí)指南，每個章節(jié)結(jié)束都做總結(jié)，對出現(xiàn)的普遍性問題及時反饋等，在教師、學(xué)生雙方教學(xué)互動中形成正向的相互促進作用。

在崗位實習(xí)階段，主動選擇企業(yè)規(guī)模較大，崗位職責(zé)難度較高的集成電路設(shè)計、版圖設(shè)計類崗位的學(xué)生比例明顯提高?？梢姡瑢W(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)和從事集成電路相關(guān)工作的信心在顯著提升。

5 " 結(jié)束語

在“模擬集成電路設(shè)計”課程的教學(xué)改革中，以工程需求為導(dǎo)向，以參考企業(yè)的設(shè)計和驗證流程為主線進行閉環(huán)式教學(xué)。采用來源于企業(yè)的實踐項目，以LDO電路設(shè)計項目為例，將企業(yè)實踐項目引入教學(xué)?；趯τ跍y試發(fā)現(xiàn)的問題分析，對電路參數(shù)分析器件的工作狀態(tài)，鼓勵學(xué)生對于多種可能導(dǎo)致測試問題的因素逐次分析找到主要原因，動員學(xué)生參與電路改進設(shè)計、仿真與測試的全過程。實踐證明，目化教學(xué)能夠提高學(xué)生的參與度，開發(fā)學(xué)生潛力、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)數(shù)據(jù)顯示了這種方法對教學(xué)的正向促進作用。在下一步的教學(xué)中，筆者將繼續(xù)積極研究項目化教學(xué)方法的改進，探索高職院校培養(yǎng)能力與社會需求相匹配的工程人才的新路徑。

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