西安交通大學(xué)微電子學(xué)系 張 鴻

淺談集成電路設(shè)計競賽對《模擬集成電路設(shè)計》課程教學(xué)的促進作用

西安交通大學(xué)微電子學(xué)系 張 鴻

近年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但卻面臨著優(yōu)秀設(shè)計人才嚴重匱乏的困境。高校開設(shè)的集成電路設(shè)計課程與目前集成電路的快速發(fā)展存在一定程度的脫節(jié)，是導(dǎo)致這一問題的主要原因之一?！赌M集成電路設(shè)計》是目前高校微電子專業(yè)的核心課程之一，涵蓋知識面廣、抽象程度高，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度較大。對該課程多年的教學(xué)經(jīng)驗表明，將實踐與教學(xué)緊密結(jié)合，是提升教學(xué)效果的有效方法。集成電路設(shè)計大賽這種方式一方面為模擬集成電路的教學(xué)提供了高水平的實踐平臺，使學(xué)生能夠通過比賽加深對課程內(nèi)容的理解，提升了教學(xué)效果；另一方面，大賽也促進了高校與高校、高校和企業(yè)在集成電路設(shè)計方面的交流； 更重要的是大賽通過競技的方式激發(fā)了教師和學(xué)生的創(chuàng)新思維，能夠進一步促進相關(guān)的科研進展。

集成電路；《模擬集成電路設(shè)計》課程；教學(xué)

0 引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是一個國家的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性產(chǎn)業(yè)。我國面對新的經(jīng)濟興起和國際競爭格局，必須建立起自己強大的集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，為信息產(chǎn)業(yè)和整個國民經(jīng)濟的發(fā)展提供強有力的支撐。發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)，除需要解決技術(shù)和市場面臨的種種問題外，還必須從根本上解決集成電路人才培養(yǎng)的問題，從而為整個集成電路的科研和生產(chǎn)源源不斷地培養(yǎng)出符合行業(yè)要求，能與工程實踐接軌的各類人才，尤其是設(shè)計類人才。

普遍而言，模擬集成電路相對于數(shù)字集成電路對設(shè)計者的經(jīng)驗和智慧要求更高，模擬設(shè)計工程師通常需要更長期的實踐積累，才能達到很高的設(shè)計水平。高校開設(shè)的模擬集成電路設(shè)計課程作為該類人才培養(yǎng)的核心課程，其教學(xué)效果對激發(fā)相關(guān)學(xué)生的興趣，積累扎實的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)創(chuàng)新的思維模式有著至關(guān)重要的作用。然而，模擬集成電路課程的學(xué)習(xí)不但需要以半導(dǎo)體物理、器件和電路等物理類課程作為基礎(chǔ)，又需要以信號與系統(tǒng)和自動控制原理等系統(tǒng)級課程中的理論作為電路設(shè)計與分析的依據(jù)，涵蓋知識面廣、抽象程度高。因此，學(xué)生普遍反映該課程的學(xué)習(xí)難度較大。根據(jù)筆者所在教學(xué)團隊多年對模擬集成電路課程的教學(xué)經(jīng)驗，在理論教學(xué)過程中有機地結(jié)合各種形式的實踐，是提升該課程教學(xué)效果行之有效的手段。一般而言，高校針對該課程開設(shè)的實踐環(huán)節(jié)的通常采用課程設(shè)計的方式，這對加強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強動手實踐能力并加強對理論知識的理解有著積極的作用。但是，這類實踐內(nèi)容和形式相對固定，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

集成電路設(shè)計大賽這種方式一方面為模擬集成電路的教學(xué)提供了更高水平的實踐平臺，使學(xué)生能夠通過比賽加深對課程內(nèi)容的理解，提升了教學(xué)效果；另一方面，大賽也促進了高校與高校、高校和企業(yè)在集成電路設(shè)計方面的交流； 更重要的是大賽通過競技的方式激發(fā)了教師和學(xué)生的創(chuàng)新思維，能夠進一步促進相關(guān)的科研進展。

本文將簡要分析模擬集成電路設(shè)計課程目前在教學(xué)中面臨的困境，在此基礎(chǔ)上闡述實踐對課程教學(xué)效果的重要作用，并重點分享指導(dǎo)學(xué)生參加本次集成電路設(shè)計大賽的一些心得和體會。

1 模擬集成電路設(shè)計教學(xué)面臨的困境

結(jié)合筆者所在團隊多年本科、研究生教學(xué)中所積累的經(jīng)驗，模擬集成電路的教育目前主要面臨以下困難。

1.1 教材陳舊，翻譯較為粗糙

現(xiàn)在本科生、研究生手中的教材多為一些入門級的經(jīng)典教材，這些教材雖然很適合學(xué)生知識體系的構(gòu)建和對集成電路行業(yè)形成初步理解，但在現(xiàn)在這樣一個集成電路技術(shù)發(fā)展日新月異的時代，這些教材往往與現(xiàn)代的工程實踐存在較大的脫節(jié)。除此之外，一些教材的翻譯水平往往參差不齊。一些教材在國外被奉為經(jīng)典，被翻譯成中文后卻枯燥無味、連篇累牘。還經(jīng)常出現(xiàn)由不同的人員翻譯不同的章節(jié)，使整本書連貫性差，使學(xué)生對知識的理解不夠透徹。

1.2 理論教學(xué)與實踐存在一定的脫節(jié)

學(xué)生往往容易過于依賴書本，脫離實踐。在對本科生的教學(xué)中，許多學(xué)生對教材中內(nèi)容掌握的相當(dāng)透徹，考試也能得到一個相比較理想的分數(shù)。但結(jié)合具體的電路真正做起來卻一籌莫展，感覺自己無從下手。有些學(xué)生熟知運算放大器的各項性能指標，卻不知道這些指標會對一個具體的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路造成什么影響，這都是由于脫離工程實踐所造成的。學(xué)生們普遍都表現(xiàn)出了對仿真軟件及仿真方法不熟悉，對實際應(yīng)用中電路元件的非理想特性不適應(yīng)，對版圖知識的欠缺等問題。

1.3 教師和學(xué)生創(chuàng)新思維不足

創(chuàng)新是人類進步的源泉，而創(chuàng)新的火花往往是在實踐中所遇到挫折的激勵下迸發(fā)出來的，脫離了實踐便無從談創(chuàng)新，創(chuàng)新的可行性也必須由實踐來檢驗。如果學(xué)生缺乏實踐經(jīng)驗，那么他們便很難意識到已有電路結(jié)構(gòu)中所存在的問題，意識不到問題何談利用創(chuàng)新思維來解決問題呢？長此以往，思維之水遲滯而不前，怎能匯聚成江河之波濤披荊斬棘，一往無前。

2 教學(xué)與實踐有機結(jié)合是突破困境的有效措施

模擬集成電路設(shè)計課程本身涵蓋知識面廣、容較為抽象，再加上教材較為陳舊，翻譯教材又通常較為粗糙，僅依靠課堂教學(xué)很難達到理想的教學(xué)效果，更談不上創(chuàng)新思維的培養(yǎng)了。為了解決這些問題，我們探索了一些將實踐和理論教學(xué)有機結(jié)合的有效方法，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 穿插必要的課后實驗，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機結(jié)合

為了使學(xué)生能夠及時地通過實踐加深對所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，在理論教學(xué)階段根據(jù)教學(xué)進度加入了多個必要的課后實驗內(nèi)容，以使學(xué)生及時地通過實驗加深對所學(xué)理論知識的理解，提升實踐能力和動手能力，同時達到激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。根據(jù)本課程以及模擬集成電路設(shè)計的特點，課后實驗只需要學(xué)生在自己的個人電腦上安裝業(yè)界通用的仿真軟件（Hspice），老師再提供集成電路代工廠的CMOS器件模型文件，學(xué)生就可以方便地進行模擬電路的仿真分析，達到實驗的目的。

2.2 增加集中實驗的覆蓋面

在集中進行了課程設(shè)計實驗階段，為了使學(xué)生通過實驗更為全面地掌握所學(xué)的理論知識，并有效地提升模擬集成電路設(shè)計的實踐能力和動手能力，我們設(shè)計多個內(nèi)容豐富的題目包括：帶隙基準的設(shè)計、高性能運放設(shè)計、振蕩器設(shè)計、跨導(dǎo)放大器設(shè)計和高精度比較器設(shè)計等。題目的設(shè)計涵蓋了整個理論教學(xué)的內(nèi)容。在實驗指導(dǎo)書中，除了以上幾個題目的講解外，還加入了進行實驗所必須的軟件使用指導(dǎo)和工藝器件模型仿真等內(nèi)容。這些精心設(shè)計的集中實踐題目，大大提升了學(xué)生對所學(xué)理論知識的掌握程度，并加強了他們的動手能力，以及分析問題和解決問題的能力。

2.3 通過參加集成電路設(shè)計大賽，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維

集成電路設(shè)計大賽為學(xué)生的實踐提供了一個更為廣闊的平臺，其特有的激勵方式更能激發(fā)學(xué)生參與競賽，進行課程內(nèi)容實踐的興趣。通常，大賽的題目并不規(guī)定具體的電路形式，要實現(xiàn)的目標只有下限，不設(shè)上限，最終通過綜合評比的方式確定獲獎?wù)?。這種實踐方式顯然比以上兩種傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)更能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3 指導(dǎo)學(xué)生參加“第五屆大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽”的心得和體會

2015年，筆者帶領(lǐng)課題組三名本科畢業(yè)設(shè)計學(xué)生（大四）參加了“第五屆大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽”，并選擇了“超低功耗帶隙基準電路設(shè)計”的比賽命題，三名學(xué)生分別在大三第二學(xué)期和大四第一學(xué)期上了模擬集成電路設(shè)計課程和相應(yīng)的集中課程設(shè)計。

該比賽命題要求以極低的功耗和面積實現(xiàn)一個具有低溫度系數(shù)的帶隙基準。接受命題后，學(xué)生很快意識到教科書上的傳統(tǒng)帶隙基準由于使用了電阻，必然存在功耗和面積的折衷。為了同時極小的面積和極低功耗，必須尋求新的結(jié)構(gòu)。在查閱大量的相關(guān)科技論文后，決定采用近年才報道的無電阻帶隙基準結(jié)構(gòu)來完成比賽[1,2]。為了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，要求學(xué)生突破已有文獻的限制，分析其結(jié)構(gòu)還存在的問題，以及可改進和提升的可能。

接受任務(wù)后，由于有了創(chuàng)新驅(qū)動，三位學(xué)生顯示出了極大的熱情，并經(jīng)過大量的電路仿真分析，發(fā)現(xiàn)原有電路中正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路的正溫度系數(shù)過低，致使需要多個子級級聯(lián)才能達到需要的正溫度系數(shù)，增大了面積和功耗。發(fā)現(xiàn)這一問題后，學(xué)生們有致力于探索具有更大輸出斜率的正溫度系數(shù)電壓產(chǎn)生電路。經(jīng)過反復(fù)的討論和仿真分析，最終研究出了一種具有更高補償能力的正溫度系數(shù)電路，將電路級數(shù)有原來的5級降為2級，顯著地降低了電路的面積和功耗。隨后，為了進一步降低溫度系數(shù)，又自行設(shè)計了二階溫度補償系統(tǒng)和修調(diào)電路，把溫度漂移系數(shù)穩(wěn)定地降到了10ppm/℃以下。

之后，學(xué)生順利地完成了版圖設(shè)計和后仿真驗證。最終，憑借創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電路性能，該電路獲得了“超低功耗帶隙基準”組唯一的一個一等獎。

學(xué)生們在大賽中獲得了優(yōu)異成績，作為指導(dǎo)教師也獲益良多。在參與此次大賽之前，我在本科生《模擬CMOS集成電路設(shè)計》和研究生《CMOS模擬系統(tǒng)設(shè)計》的授課中，是這樣教書授課的：老師是主體，承擔(dān)主要任務(wù)，盡管一節(jié)課下來累的大汗淋漓，也要把所有知識點講解的透徹明白，希望學(xué)生學(xué)到更多。在參與指導(dǎo)此次大賽之后，我意識到學(xué)的多固然重要，但如果學(xué)生沒有了創(chuàng)新精神，那他所學(xué)到的知識只不過是一潭死水。一潭死水怎么能比上一泓清泉？我們教師在教授知識的同時，也一定要讓學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)“流動”起來。而實踐就是創(chuàng)新的土壤，創(chuàng)新的種子只有在實踐的土壤中才能開花、結(jié)果。而大賽正是提供了這樣一種創(chuàng)新的土壤，使得教師和學(xué)生的創(chuàng)新思想得以發(fā)揮。

希望大學(xué)生集成電路設(shè)計大賽越辦越好，在大學(xué)生集成電路設(shè)計實踐和創(chuàng)新思維培養(yǎng)等方面發(fā)揮更加重要的作用！

[1]Y．Osaki,T．Hirose,and N．Kuroki．1．2-V Supply,100-nW,1．09-V Bandgap and 0．7-V Supply, 52．5-nW,0．55-VSubbandgapReference Circuits for Nanowatt CMOS LSIs, IEEE J．Solid-State Circuits,vol．48,no．6,pp．1503-1538,Jun．2013．

[2]Hong Zhang,Dong Li,Qing Wang,Jie Zhang, Chong Li,Ruizhi Zhang．A resistor-less bandgap reference with improved PTAT generator for ultra-low-power LSIs,2014 IEEE Faible Tension Faible Consommation(FTFC),pp．1,4, 4-6 May 2014．(EI:20142817931726))．

張鴻（1978-），男，博士，西安交通大學(xué)微電子學(xué)系，副教授。