華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 王 建 曾 瀟 曾昭維 陳健森

0 引言

面向21世紀(jì)的中國高等教育正在經(jīng)歷重大變革和發(fā)展，人文和理工相通，各學(xué)科之間相互滲透融合，教學(xué)科研并重。探索教育教學(xué)方法，提高教育質(zhì)量，適應(yīng)科技發(fā)展和教學(xué)改革的需要，培養(yǎng)社會經(jīng)濟文化發(fā)展所需要的復(fù)合型人才。

集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊半導(dǎo)體片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。國務(wù)院公布的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》強調(diào)了集成電路產(chǎn)業(yè)保障國家安全的重大戰(zhàn)略意義，指出集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)?！都呻娐吩O(shè)計》是微電子專業(yè)，電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)非常重視的專業(yè)課。

1 意義學(xué)習(xí)概述

奧蘇伯爾根據(jù)學(xué)習(xí)材料與學(xué)習(xí)者原有知識結(jié)構(gòu)的關(guān)系把學(xué)習(xí)分為機械和意義學(xué)習(xí)，并認(rèn)為學(xué)生的學(xué)習(xí)主要是有意義的接受學(xué)習(xí)。所謂意義學(xué)習(xí)，奧蘇伯爾認(rèn)為是將符號代表的新知識與學(xué)習(xí)者原有的有關(guān)觀念建立起非人為的和實質(zhì)性的聯(lián)系。學(xué)習(xí)者積極主動地將具有潛在意義地新知識與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)舊知識發(fā)生相互作用，使認(rèn)識結(jié)構(gòu)或舊知識得到改善，使新知識獲得實際意義即心理意義[2]。

進(jìn)行意義學(xué)習(xí)是有條件的，它的產(chǎn)生既受學(xué)習(xí)材料本身性質(zhì)的影響，也受學(xué)習(xí)者自身因素的影響。從客觀上看，學(xué)習(xí)材料應(yīng)具備與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中有關(guān)知識建立邏輯聯(lián)系的要求，在學(xué)生學(xué)習(xí)能力范圍內(nèi)。從主觀上看，學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中具備適當(dāng)知識，有將符號所代表的新知識與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中有關(guān)知識發(fā)生相互作用的傾向性和主動性。教師應(yīng)很好把握學(xué)生的學(xué)習(xí)心理和學(xué)習(xí)需求，并與之相一致，這樣教學(xué)的輸出和接受匹配，共同完成高質(zhì)量的教學(xué)工作。教學(xué)不應(yīng)枯燥，反而應(yīng)該是有趣和精彩的，也是彼此有深刻體驗的活動師生雙方都有通過它來自我發(fā)展、自我提高的要求。

2 教學(xué)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

依據(jù)意義學(xué)習(xí)方法，根據(jù)學(xué)生已有的知識體系，結(jié)合專業(yè)課程體系，學(xué)生已學(xué)過二極管、晶體管、MOS管等知識，偏重二極管、晶體管電壓電流關(guān)系，而在集成電路設(shè)計中較重要的MOS管理解卻不夠深入，如基本的漏極電流與柵極電壓關(guān)系及寬長比尺寸[2]。集成電路可選的教材很多，包括國外著名教材,如王志功教授的《集成電路設(shè)計》，Behzad Razavi的《Design of analog CMOS Integrated Circuits》。我們選用教材是科學(xué)出版社出版的高勇教授編寫《集成電路設(shè)計技術(shù)》，主要內(nèi)容包括集成電路設(shè)計方法、集成電路模擬與SPICE、半導(dǎo)體器件模型、Verilog硬件描述語言、邏輯綜合和版圖設(shè)計。從課程上分析，學(xué)生們已學(xué)過模擬電路,數(shù)字電路,半導(dǎo)體物理,微電子基礎(chǔ)，了解集成電路工藝，雙極型晶體管,MOS晶體管、差分放大器、鏡像電流源、增益、帶寬、頻率響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)、具備數(shù)字邏輯、與非門、或非門、計數(shù)器、全加器等知識。

在《集成電路設(shè)計》課程中采用多媒體教學(xué)，精心備課：

（1）給學(xué)生形象生動地建立物理模型，側(cè)重于特別強調(diào)重要的MOS特性公式推導(dǎo)，在器件模型講解時建立MOS晶體管特性參數(shù)概念，熟練掌握反相器、或非門、與非門、差分放大器、鏡像電流源的基本CMOS結(jié)構(gòu)。

（2）在數(shù)字集成電路設(shè)計時結(jié)合器件如比較器、全加器進(jìn)行，采用真值表獲取器件的功能表，進(jìn)而得到數(shù)字邏輯關(guān)系，并用卡諾圖進(jìn)行化簡得到邏輯關(guān)系，再用CMOS管予以實現(xiàn)。

（3）加強實驗教學(xué)，結(jié)合集成電路仿真軟件進(jìn)行動手操作，利用FPGA等可編程邏輯器件進(jìn)行硬件實現(xiàn)集成電路設(shè)計,并與工程實際中器件的伏安特性、頻率響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)對照，對課程中出現(xiàn)的噪聲、延遲、寄生效應(yīng)予以關(guān)聯(lián)闡述。

（4）探討產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的培養(yǎng)人才的新模式和新方法，目前正聯(lián)合廣州潤芯信息技術(shù)有限公司、廣州億發(fā)科電子科技有限公司進(jìn)行合作研究。

2.2 利用仿真軟件進(jìn)行設(shè)計

電路仿真軟件在集成電路設(shè)計教學(xué)中非常重要，特別是結(jié)合了工藝庫的仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的是Cadence集成電路設(shè)計軟件，其中PSicie是安裝在個人電腦上運行的簡化仿真軟件[3]；Tanner集成電路設(shè)計軟件是由Tanner Research公司開發(fā)的基于Windows平臺的用于集成電路設(shè)計的工具軟件。該軟件功能包括S-Edit，T-Spice，WEdit，L-Edit與LVS；國內(nèi)企業(yè)華大九天Aether軟件，界面和命令使用同Cadence相似。ModelSim和Quartus兩款軟件可進(jìn)行Verilog硬件描述語言仿真。

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

以差分MOS放大器為例，得到差動共源共柵電路放大器，如圖1所示。

圖1 差動共源共柵電路放大器

在兩位CMOS比較器設(shè)計時，先利用邏輯關(guān)系得到真值表，如表1所示，進(jìn)而得到邏輯關(guān)系，如式(1)所示。

表1 二位數(shù)值比較器的真值表

4 總結(jié)

本文探究了采用奧蘇伯爾意義學(xué)習(xí)指導(dǎo)《集成電路技術(shù)》教學(xué)實踐，將模擬和數(shù)字集成電路單元與所學(xué)內(nèi)容關(guān)聯(lián)，這樣使《集成電路設(shè)計》教學(xué)不至于顯得深奧，避免學(xué)生對電路設(shè)計學(xué)習(xí)無頭緒。

[1]王惠來.奧蘇伯爾的有意義學(xué)習(xí)理論對教學(xué)的指導(dǎo)意義[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2011(2):67-70.

[2]王仁平,施隆照.數(shù)字集成電路課程的教學(xué)案例研究[J].高師理科學(xué)刊,2017,37(1):86-88.

[3]劉威.軟件輔助教學(xué)在數(shù)字集成電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2016(35):33-34.