集成電路設(shè)計教學(xué)改革探究

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驗證模擬電子技術(shù)是一門所有電類工科專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課［1］，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)可以掌握半導(dǎo)體物理器件、單級和多級放大電路、集成運算器、穩(wěn)壓電源等知識，為后續(xù)微機原理應(yīng)用、單片機技術(shù)、高頻電子技術(shù)等專業(yè)課程學(xué)習(xí)做好知識鋪墊［2］。然而，傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學(xué)以課本理論公式講授推導(dǎo)為主，以采用模擬實驗箱或?qū)嶒炁_的驗證性實驗為輔，具有物理概念抽象、分析方法復(fù)雜、動手設(shè)計困難等特點［3］。因此，學(xué)生普遍反映該課程學(xué)習(xí)起來困難，考試通過率不高，學(xué)習(xí)興趣不足。隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，集成電路行業(yè)已經(jīng)被視為與鋼鐵和石油工業(yè)同等重要的、具有戰(zhàn)略意義的國家命脈行業(yè)，其技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展、技術(shù)進步、工業(yè)先進、國防實力的重要標(biāo)志［4］。特別是在“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”的新時代工科建設(shè)背景下［5］，如何培養(yǎng)出優(yōu)秀的適合集成電路行業(yè)需求的大學(xué)本科畢業(yè)生已經(jīng)成為了各本科院校亟待解決的問題。為了培養(yǎng)學(xué)生的集成電路設(shè)計能力，提高學(xué)生對于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的認(rèn)同度和興趣感，本文探究了一種面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革方法，使用Cadence和HSPICE仿真軟件對模擬電子技術(shù)課本中的典型電路進行仿真分析，進而驗證其理論的正確性。

1傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)教學(xué)

1．1傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)理論教學(xué)模式。傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)采用教師課堂知識灌輸形式，即教師通過板書和PPT的方式在課堂上給學(xué)生講授推導(dǎo)書本中的理論公式，通過已學(xué)的知識來推導(dǎo)和驗證新的理論和公式［6］。例如在學(xué)習(xí)第二章“基本放大電路”時，教師是通過圖解法和微變等效電路法來推導(dǎo)放大電路的靜態(tài)工作點和交流電壓增壓。圖1為采用圖解法求解的單管共射電路，圖中通過虛線把晶體管和外圍電路分開，當(dāng)輸入信號ΔUI為0時，在晶體管的輸入回路中既應(yīng)該滿足輸入特性曲線，又應(yīng)滿足外圍電路參數(shù)，因此:UBE=VBB－iBRb(1)圖2為單管共射電路的輸入特性曲線，由1式可以確定圖中的輸入回路負(fù)載線，其中斜率為-1/Rb，輸入回路負(fù)載線與輸入特向曲線的交點Q就是電路的靜態(tài)工作點。圖3為單管共射電路的輸出特性曲線，與輸入回路一樣，在輸出特性曲線中靜態(tài)工作點既應(yīng)在IB=IBQ曲線上，又應(yīng)滿足外圍電路特性:UCE=VCC－iCRC(2)由2式可以確定圖3中的負(fù)載線，其中負(fù)載線的斜率為-1/RC，IB=IBQ與輸出特性曲線的交點即為靜態(tài)工作點Q，其縱坐標(biāo)值為ICQ，橫坐標(biāo)值為UCEQ。通過圖解法可以求出單管共射電路的靜態(tài)工作點Q，采用微變等效電路法可以求解電路的H參數(shù)，計算電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻等［7］。同樣，集成運算放大電路、放大電路的頻率響應(yīng)、波形的發(fā)生和信號轉(zhuǎn)換等章節(jié)都是采用傳統(tǒng)的公式推導(dǎo)法來向?qū)W生講解的。傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)雖然可以使學(xué)生掌握課本中的基本概念和定理，但是繁雜的64物理概念以及抽象的公式推導(dǎo)過程往往讓學(xué)生感覺到入門難、理解難、掌握難，僅僅依靠課堂理論灌輸?shù)慕虒W(xué)模式就成為了一種“空對空”的教學(xué)模式［8］。1．2傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)模式。傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)主要采用模擬實驗箱或模擬實驗臺模式，即學(xué)生通過導(dǎo)線插針在現(xiàn)有的實驗箱或?qū)嶒炁_上連接各種電子元器件或模塊來搭建模擬電路的方式［9］。傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)模式雖然可以通過現(xiàn)有的模擬實驗箱或?qū)嶒炁_驗證課本理論，較為靈活的設(shè)計簡單模擬電路。但是，傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)模式存在諸多缺點:(1)傳統(tǒng)的模擬實驗箱或?qū)嶒炁_一般采用導(dǎo)線插針方式，在實驗過程中容易發(fā)生插針折斷堵塞插孔情況，影響設(shè)備德正常使用。(2)隨著機箱設(shè)備的老化，設(shè)備內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)線或底座虛斷、接觸不良等情況，造成實驗結(jié)果的失真。(3)由于傳統(tǒng)實驗箱或?qū)嶒炁_采用模塊集成方式，一般只包含了課內(nèi)驗證實驗?zāi)K，難以激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。

2面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)教學(xué)

2．1面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)模式。面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)在理論教學(xué)上采用“工程向?qū)Хā钡慕虒W(xué)思路，首先由教師結(jié)合生活實例提出一個具體的工程問題，讓學(xué)生知道所學(xué)知識可以使用到日常生活中去，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。然后教師采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，通過課堂講授向?qū)W生傳輸工程項目所需的理論知識和定理，與傳統(tǒng)理論課堂教學(xué)模式相比，面向集成電路設(shè)計的課堂理論教學(xué)在知識點講授上按照“知識鏈”模式，即教師在教學(xué)內(nèi)容安排上不再按照傳統(tǒng)知識章節(jié)的順序，而是以工程項目為導(dǎo)向，把做工程項目所需的知識點串在一起講解。以設(shè)計“集成運算放大器”為例，集成運算放大器一般包括:偏置電流產(chǎn)生電路、差分輸入放大電路、中間放大電路、功率放大電路四部分模塊電路組成［10］。因此教師在課程內(nèi)容安排上首先講解偏置電流產(chǎn)生電路和電流復(fù)制電路，可以通過電流鏡和微電流源的工作原理來講解。然后講解差分輸入放大電路，通過差分輸入放大電路的電路結(jié)構(gòu)以及如何提高電路的共模抑制比為出發(fā)點進行講解。接著講解單級放大電路和多級放大電路的電壓放大原理，最后講解功率放大電路，主要向?qū)W生講解功率放大電路如何提高電路的帶負(fù)載能力。這樣學(xué)生具備了基礎(chǔ)知識之后就可以動手設(shè)計運算放大電路。在向?qū)W生講解設(shè)計工程項目所需的基礎(chǔ)知識之后，教師再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計模擬集成電路所用到的EDA(ElectronicDesignAutomation)軟件，這里以在模擬集成電路設(shè)計行業(yè)被廣泛使用的EDA軟件Cadence和HSPICE為例。由于Cadence是在Linux操作環(huán)境下運行的，因此教師首先給學(xué)生講授簡單的Linux操作環(huán)境和基礎(chǔ)指令，使學(xué)生能夠初步掌握Cadence的運行方法，接著教師引導(dǎo)學(xué)生在Cadence中進行工程項目的原理圖設(shè)計，最后使用Cadence把所設(shè)計的電路網(wǎng)表文件導(dǎo)入到HSPICE軟件中進行參數(shù)仿真。使用HSPICE可以對所設(shè)計電路進行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析以及蒙特卡羅最壞情況分析等。2．2面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)模式。面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)采用“教師引導(dǎo)，學(xué)生開放設(shè)計”的教學(xué)模式。教師以“大作業(yè)”形式每學(xué)期給學(xué)生布置5～6道實驗課題，制定好項目參數(shù)。學(xué)生課下搜集項目資料，自主設(shè)計電路架構(gòu)并且進行仿真驗證，最后提交項目結(jié)項報告。通過學(xué)生設(shè)計的電路參數(shù)是否達標(biāo)以及結(jié)項報告的內(nèi)容完整性給成合理的評判成績。圖5為指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計的基于CMOS工藝庫的運算放大器原理圖，共分為三級:偏置電流產(chǎn)生電路、輸入級差分放大電路、中間級放大電路。學(xué)生把原理圖輸入到Cadence中可以生成電路參數(shù)網(wǎng)表，再使用HSPICE仿真軟件進行參數(shù)調(diào)試。最終可以仿真電路的開環(huán)增益、輸入共模抑制比、電源抑制比等參數(shù)。

3結(jié)語

本文提出了一種面向集成電路設(shè)計的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革，分別對傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)的理論教學(xué)模式和實驗教學(xué)模式進行改革，探究了基于“工程導(dǎo)向法”和“大作業(yè)”形式的新型教學(xué)實驗方法，使用集成電路業(yè)界被廣泛使用的Cadence和HSPICE作為設(shè)計和仿真工具進行理論和實驗教學(xué)。通過該教學(xué)改革探究，可以幫助學(xué)生更加深入的理解和掌握模擬電子技術(shù)知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和集成電路設(shè)計能力，為今后從事模擬集成電路設(shè)計或制造打牢基礎(chǔ)。

作者:李宏杰 段德功 常盛華 單位:安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院