◆陳國(guó)平 夏鯤 王楠

模擬集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)方法探討*

◆陳國(guó)平 夏鯤 王楠

通過(guò)模擬集成電路設(shè)計(jì)理論課和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及教學(xué)研究心得，以某高校電子科學(xué)與技術(shù)以及電子信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)為例，分析如何完善模擬集成電路設(shè)計(jì)課程體系建設(shè)，如何在課程教學(xué)過(guò)程中通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合，加強(qiáng)大學(xué)生對(duì)理論的深入理解，構(gòu)建系統(tǒng)化的教學(xué)工作。

模擬集成電路設(shè)計(jì)；理論與實(shí)踐相結(jié)合；仿真實(shí)驗(yàn)

作者：陳國(guó)平，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院工程師；夏鯤、王楠，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院（200093）。

集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程體系是各高等院校電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息科學(xué)與技術(shù)等工科專業(yè)核心專業(yè)課程設(shè)置的重要組成部分，為大學(xué)生深入學(xué)習(xí)掌握集成電路設(shè)計(jì)的基本原理、分析方法、仿真方式等打下基礎(chǔ)。大多數(shù)理工科高校對(duì)電子類專業(yè)開(kāi)設(shè)模擬集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的課程，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合培養(yǎng)。對(duì)于模擬和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，如果要深入到晶體管級(jí)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，那都必須進(jìn)行原理的深入學(xué)習(xí)。而在現(xiàn)實(shí)工作中，數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)主要是通過(guò)運(yùn)用高級(jí)硬件電路描述語(yǔ)言基于門級(jí)對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，晶體管級(jí)的原理分析只是理論基礎(chǔ)。模擬集成電路設(shè)計(jì)則必須完全深入晶體管級(jí)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，所以模擬集成電路設(shè)計(jì)更加繁瑣和復(fù)雜，對(duì)理論分析的要求也更高。

本文通過(guò)筆者多年來(lái)在模擬集成電路設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐教學(xué)中積累的經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)心得，對(duì)如何在繁瑣和復(fù)雜的教學(xué)中使學(xué)生更好地掌握知識(shí)體系進(jìn)行探討。

1 教材的選擇

1.1 國(guó)外經(jīng)典教材的參考

集成電路的設(shè)計(jì)國(guó)外特別是美國(guó)要領(lǐng)先中國(guó)幾十年的技術(shù)水平，如絕大多數(shù)高精尖端的芯片都是被INTEL、AMD、TI、ADI這樣的跨國(guó)巨頭所壟斷，在教學(xué)知識(shí)體系方面自然是美國(guó)的高校如斯坦福、加州大學(xué)等要比國(guó)內(nèi)高校更加系統(tǒng)和完善。美國(guó)出版的多本教材更是被奉為集成電路設(shè)計(jì)的圣經(jīng)，如拉扎維編著的《模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)》、艾倫編著的《CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)》等。但是即使是被奉為圣經(jīng)的教材，雖然經(jīng)典，也有其局限性。如拉扎維編著的《模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)》對(duì)電路的理論分析非常透徹且深入淺出，卻缺乏相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其理論分析；而艾倫編著的《CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)》雖有部分仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其理論分析，但其理論分析又不如拉扎維的教材那么透徹和深入淺出。

1.2 國(guó)內(nèi)教材的選擇

國(guó)內(nèi)的高校雖然較國(guó)外高校而言在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域起步要晚，差距也很大，但是在近些年國(guó)家政策的大力扶持下，已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)也有了幾本模擬集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)講解得比較透徹的教材，比如：清華大學(xué)王自強(qiáng)編著的《CMOS集成放大器設(shè)計(jì)》就從簡(jiǎn)單知識(shí)入手，講解淺顯易懂；東南大學(xué)吳建輝編著的《CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)》分析比較透徹，講解自成體系。但是國(guó)內(nèi)出版的教材也都缺乏相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其理論分析。

針對(duì)國(guó)內(nèi)學(xué)生在集成電路設(shè)計(jì)知識(shí)領(lǐng)域基礎(chǔ)比較差的現(xiàn)狀，可以選擇國(guó)內(nèi)講解得比較簡(jiǎn)單淺顯的教材為主線，并以國(guó)外經(jīng)典教材為參考。

2 教學(xué)方法的改進(jìn)

模擬集成電路設(shè)計(jì)作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，比某些專業(yè)基礎(chǔ)課程如電路原理、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)等要難度更大，也更為繁瑣和復(fù)雜。如果按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行講解，或者說(shuō)僅僅是按照教材進(jìn)行理論分析和推導(dǎo)，那么學(xué)生很難對(duì)這門知識(shí)深入理解和掌握。因此，在教學(xué)理論知識(shí)的過(guò)程中，穿插進(jìn)教材中沒(méi)有的、可以驗(yàn)證其相應(yīng)理論的仿真實(shí)驗(yàn)，這樣能夠更好地使學(xué)生理解和掌握理論知識(shí)。

2.1 以HSPICE仿真實(shí)驗(yàn)為輔助

SPICE是一種可以用于電路仿真的工具，大家所熟知的有PSPICE，它是一種可以適用于分立原件的電路仿真工具，而HSPICE是在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)I(yè)使用的高精度的仿真工具。專業(yè)的集成電路設(shè)計(jì)公司和研究所都是使用UNIX或LINUX環(huán)境下的大型專業(yè)工具軟件進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)仿真，而筆者所在高校因?yàn)樵诖祟I(lǐng)域起步較晚，專業(yè)開(kāi)設(shè)也較晚，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室也并不具備，所以并不具備很好的實(shí)驗(yàn)條件來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)。因?yàn)镠SPICE具有可以在Windows環(huán)境下方便使用的小型版本的軟件，所以可以很方便地用在課堂教學(xué)中。

2.2 理論與實(shí)踐相結(jié)合教學(xué)

在繁瑣復(fù)雜理論分析和推導(dǎo)的過(guò)程中，不斷地穿插進(jìn)HSPICE仿真，來(lái)驗(yàn)證理論分析和推導(dǎo)的結(jié)果，可以讓學(xué)生顯著加深對(duì)理論的理解和掌握。HSPICE仿真部分的內(nèi)容是清華、復(fù)旦、東南大學(xué)等高校教師出版的教材里面都沒(méi)有詳細(xì)講解的內(nèi)容，也是他們課堂理論講解過(guò)程中不會(huì)涉及到的知識(shí)。而在筆者所在高校以HSPICE仿真實(shí)驗(yàn)為輔助，結(jié)合理論教學(xué)后，取得了積極顯著的教學(xué)效果，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和課程考試成績(jī)都得到了大幅度的提升。以2008級(jí)到2010級(jí)電子類專業(yè)的學(xué)生為例，模擬集成電路設(shè)計(jì)課程考試得優(yōu)率從22%提升到了43%以上，學(xué)生對(duì)此教學(xué)方法也是高度認(rèn)同。

3 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)大力實(shí)行人才戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)的大環(huán)境下，筆者所在高校也響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，加強(qiáng)本科生培養(yǎng)，實(shí)施卓越工程教育，取得積極可喜的成績(jī)。國(guó)家在近些年大力支持集成電路設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但也更加需要更多的專業(yè)人才來(lái)滿足市場(chǎng)需求。在此背景下，本文積極探索和提高模擬集成電路設(shè)計(jì)的教學(xué)方法，取得長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，也得到學(xué)生的高度認(rèn)同。筆者希望自己的經(jīng)驗(yàn)和方法可以為兄弟院校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)提供參考和借鑒。

[1]Lazavi.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.

[2]Allen P E.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[3]王自強(qiáng).CMOS集成放大器設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[4]吳建輝.CMOS模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[5]何樂(lè)年.模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

G642.4

B

1671-489X(2013)30-0095-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.30.095

上海理工大學(xué)核心課程建設(shè)項(xiàng)目。