集成電路設計教學改革探究

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驗證模擬電子技術是一門所有電類工科專業必修的專業基礎課［1］，學生通過該課程的學習可以掌握半導體物理器件、單級和多級放大電路、集成運算器、穩壓電源等知識，為后續微機原理應用、單片機技術、高頻電子技術等專業課程學習做好知識鋪墊［2］。然而，傳統的模擬電子技術教學以課本理論公式講授推導為主，以采用模擬實驗箱或實驗臺的驗證性實驗為輔，具有物理概念抽象、分析方法復雜、動手設計困難等特點［3］。因此，學生普遍反映該課程學習起來困難，考試通過率不高，學習興趣不足。隨著我國國民經濟的不斷發展，集成電路行業已經被視為與鋼鐵和石油工業同等重要的、具有戰略意義的國家命脈行業，其技術水平和產業規模已經成為衡量一個國家經濟發展、技術進步、工業先進、國防實力的重要標志［4］。特別是在“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”的新時代工科建設背景下［5］，如何培養出優秀的適合集成電路行業需求的大學本科畢業生已經成為了各本科院校亟待解決的問題。為了培養學生的集成電路設計能力，提高學生對于電子科學與技術專業的認同度和興趣感，本文探究了一種面向集成電路設計的模擬電子技術教學改革方法，使用Cadence和HSPICE仿真軟件對模擬電子技術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傳統模擬電子技術教學

1．1傳統模擬電子技術理論教學模式。傳統的模擬電子技術理論教學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生講授推導書本中的理論公式，通過已學的知識來推導和驗證新的理論和公式［6］。例如在學習第二章“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放大電路的靜態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，當輸入信號ΔUI為0時，在晶體管的輸入回路中既應該滿足輸入特性曲線，又應滿足外圍電路參數，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載線，其中斜率為-1/Rb，輸入回路負載線與輸入特向曲線的交點Q就是電路的靜態工作點。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工作點既應在IB=IBQ曲線上，又應滿足外圍電路特性:UCE=VCC－iCRC(2)由2式可以確定圖3中的負載線，其中負載線的斜率為-1/RC，IB=IBQ與輸出特性曲線的交點即為靜態工作點Q，其縱坐標值為ICQ，橫坐標值為UCEQ。通過圖解法可以求出單管共射電路的靜態工作點Q，采用微變等效電路法可以求解電路的H參數，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、波形的發生和信號轉換等章節都是采用傳統的公式推導法來向學生講解的。傳統的模擬電子技術理論教學雖然可以使學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過程往往讓學生感覺到入門難、理解難、掌握難，僅僅依靠課堂理論灌輸的教學模式就成為了一種“空對空”的教學模式［8］。1．2傳統模擬電子技術實驗教學模式。傳統模擬電子技術實驗教學主要采用模擬實驗箱或模擬實驗臺模式，即學生通過導線插針在現有的實驗箱或實驗臺上連接各種電子元器件或模塊來搭建模擬電路的方式［9］。傳統模擬電子技術實驗教學模式雖然可以通過現有的模擬實驗箱或實驗臺驗證課本理論，較為靈活的設計簡單模擬電路。但是，傳統的模擬電子技術實驗教學模式存在諸多缺點:(1)傳統的模擬實驗箱或實驗臺一般采用導線插針方式，在實驗過程中容易發生插針折斷堵塞插孔情況，影響設備德正常使用。(2)隨著機箱設備的老化，設備內部經常出現導線或底座虛斷、接觸不良等情況，造成實驗結果的失真。(3)由于傳統實驗箱或實驗臺采用模塊集成方式，一般只包含了課內驗證實驗模塊，難以激發學生的發散思維和創新能力。

2面向集成電路設計的模擬電子技術教學

2．1面向集成電路設計的模擬電子技術理論教學模式。面向集成電路設計的模擬電子技術在理論教學上采用“工程向導法”的教學思路，首先由教師結合生活實例提出一個具體的工程問題，讓學生知道所學知識可以使用到日常生活中去，進而激發學生的學習熱情。然后教師采用傳統的教學方式，通過課堂講授向學生傳輸工程項目所需的理論知識和定理，與傳統理論課堂教學模式相比，面向集成電路設計的課堂理論教學在知識點講授上按照“知識鏈”模式，即教師在教學內容安排上不再按照傳統知識章節的順序，而是以工程項目為導向，把做工程項目所需的知識點串在一起講解。以設計“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］。因此教師在課程內容安排上首先講解偏置電流產生電路和電流復制電路，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構以及如何提高電路的共模抑制比為出發點進行講解。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，主要向學生講解功率放大電路如何提高電路的帶負載能力。這樣學生具備了基礎知識之后就可以動手設計運算放大電路。在向學生講解設計工程項目所需的基礎知識之后，教師再引導學生學習設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計行業被廣泛使用的EDA軟件Cadence和HSPICE為例。由于Cadence是在Linux操作環境下運行的，因此教師首先給學生講授簡單的Linux操作環境和基礎指令，使學生能夠初步掌握Cadence的運行方法，接著教師引導學生在Cadence中進行工程項目的原理圖設計，最后使用Cadence把所設計的電路網表文件導入到HSPICE軟件中進行參數仿真。使用HSPICE可以對所設計電路進行直流分析、交流分析、瞬態分析以及蒙特卡羅最壞情況分析等。2．2面向集成電路設計的模擬電子技術實驗教學模式。面向集成電路設計的模擬電子技術實驗教學采用“教師引導，學生開放設計”的教學模式。教師以“大作業”形式每學期給學生布置5～6道實驗課題，制定好項目參數。學生課下搜集項目資料，自主設計電路架構并且進行仿真驗證，最后提交項目結項報告。通過學生設計的電路參數是否達標以及結項報告的內容完整性給成合理的評判成績。圖5為指導學生設計的基于CMOS工藝庫的運算放大器原理圖，共分為三級:偏置電流產生電路、輸入級差分放大電路、中間級放大電路。學生把原理圖輸入到Cadence中可以生成電路參數網表，再使用HSPICE仿真軟件進行參數調試。最終可以仿真電路的開環增益、輸入共模抑制比、電源抑制比等參數。

3結語

本文提出了一種面向集成電路設計的模擬電子技術教學改革，分別對傳統模擬電子技術的理論教學模式和實驗教學模式進行改革，探究了基于“工程導向法”和“大作業”形式的新型教學實驗方法，使用集成電路業界被廣泛使用的Cadence和HSPICE作為設計和仿真工具進行理論和實驗教學。通過該教學改革探究，可以幫助學生更加深入的理解和掌握模擬電子技術知識，激發學生的學習興趣，培養學生的創新能力和集成電路設計能力，為今后從事模擬集成電路設計或制造打牢基礎。

作者:李宏杰 段德功 常盛華 單位:安陽工學院電子信息與電氣工程學院