工程碩士“模擬集成電路設(shè)計”課程探索

王 豪，常 勝，黃啟俊，何 進(jìn)，陳 曦

(武漢大學(xué)1.微電子與信息技術(shù)研究院;2.物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430072)

我國微電子技術(shù)在快速發(fā)展的同時，和世界上發(fā)達(dá)國家仍存在較大差距。技術(shù)核心芯片以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的消費類IC解決方案的進(jìn)展仍不盡人意。我國教育部和科技部自2003年起實施了集成電路人才培養(yǎng)體系的建設(shè)工作，先后設(shè)立了國家集成電路人才培養(yǎng)基地和國家集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地，并在全國71所院校中實行了集成電路工程碩士培養(yǎng)［1]。

集成電路工程碩士的培養(yǎng)體系，一方面與傳統(tǒng)的微電子學(xué)與固體電子學(xué)普通碩士的培養(yǎng)體系具有交叉性，另一方面，工程碩士的復(fù)合型和實用性人才培養(yǎng)方面有其自身特點，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法實驗手段等提出了新的要求。

“模擬集成電路設(shè)計”作為一門工程碩士的主干課，與其他課程有很強(qiáng)的聯(lián)系，如“模擬電子線路”、“半導(dǎo)體器件物理”和“集成電路版圖設(shè)計”等。一方面，“模擬集成電路設(shè)計”具有很強(qiáng)的理論性，特別是對于本科非電子科技專業(yè)的學(xué)生，需要掌握基本分析方法和電路特征，達(dá)到在設(shè)計實踐中靈活應(yīng)用，需要一個過程。另一方面，“模擬集成電路設(shè)計”又具有很強(qiáng)的實踐性，如果僅強(qiáng)調(diào)理論知識學(xué)習(xí)，學(xué)生很難建立一種感性認(rèn)識。他們需要通過電路設(shè)計實踐，基于現(xiàn)代IC設(shè)計工具，建立對不同基本模擬電路結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，體現(xiàn)其特性差異。

1 教材和教學(xué)內(nèi)容的選取

1.1 教材選取

在普通碩士教育中，“模擬集成電路設(shè)計”課程多基于理論性和全面性，一般都會選取業(yè)界的原版教材或中譯版等經(jīng)典教材［2－4]。而在集成電路專業(yè)的工程碩士教育中，我們選取了《國務(wù)院學(xué)位委員會集成電路工程碩士教育協(xié)作組》和《全國集成電路人才培養(yǎng)基地專家指導(dǎo)委員會》組織編寫的教材［5] 。相對于文獻(xiàn)［2] ，它在全面介紹了基本電路結(jié)構(gòu)的同時，理論難度有所降低，并以大量篇幅補充了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IC設(shè)計軟件的設(shè)置和應(yīng)用，并把工具軟件的應(yīng)用貫穿整本教材，具備很強(qiáng)的基礎(chǔ)性和實用性。

1.2 課程內(nèi)容組織

在選定教材的基礎(chǔ)上，我們對課程內(nèi)容進(jìn)行如下安排:①緒論部分，除了介紹模擬集成電路設(shè)計的基本概念、流程和工藝外，對MOS器件的物理圖景、器件模型、I-V特性推導(dǎo)和器件二級效應(yīng)等知識進(jìn)行補充;②在基本電路單元部分，主要安排三種基本形態(tài)的單級放大器及其變形，電流鏡、電流源及其應(yīng)用、差分放大器、運算放大器及其應(yīng)用等內(nèi)容;③在學(xué)習(xí)基本電路結(jié)構(gòu)的同時，貫穿對電路分析能力的培養(yǎng)，著重掌握大信號分析、小信號分析、頻率響應(yīng)分析、噪聲分析和反饋系統(tǒng)分析等基本方法。

1.3 課程知識補充

在“模擬集成電路設(shè)計”課程中，MOS器件不能作為一個黑盒子來理解，尤其是工程碩士課程中有不少從非電子專業(yè)考入的學(xué)生，不了解MOS器件物理知識，因而需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a充。主要補充內(nèi)容為MOS器件工作原理，了解和掌握MOS器件工作在不同區(qū)域的物理情景，以及推導(dǎo)和理解I-V曲線。對MOS器件的二級效應(yīng)內(nèi)容，主要補充與電路分析緊密的溝道長度調(diào)制效應(yīng)和體效應(yīng)，掌握其對小信號電阻的影響和背柵效應(yīng)。

模擬集成電路的物理設(shè)計(即版圖設(shè)計)，也是完整設(shè)計流程的重要一環(huán)，對此也進(jìn)行了擴(kuò)充?；贓DA工具，以反相器為例，進(jìn)行了從前端到版圖的完整設(shè)計流程，包括前仿真、版圖設(shè)計、DRC(設(shè)計規(guī)則檢查)、ERC(電氣規(guī)則檢查)、LPE(版圖參數(shù)提取)和LVS(版圖和原理圖一致性檢查)。就此實現(xiàn)了后仿真，并與前仿真結(jié)果進(jìn)行比較，加深了對集成電路設(shè)計流程的理解和對工具的應(yīng)用。

2 與相關(guān)課程的比較和聯(lián)系

“模擬集成電路設(shè)計”作為一門主干課程，和不少相關(guān)課程都有很強(qiáng)的聯(lián)系。在授課的過程中，我們可以借助課程間的比較和聯(lián)系來講解。例如，“模擬集成電路設(shè)計”和“模擬電子線路”具有很強(qiáng)的交叉性，單級放大器、電流鏡、差分放大器和負(fù)反饋等內(nèi)容，兩門課程均有涉及。當(dāng)代半導(dǎo)體工業(yè)的工藝特點，決定了“模擬集成電路設(shè)計”課程中以CMOS電路為主干，而“模擬電子線路”中對雙極型晶體管涉及較多，對CMOS涉及較少。在授課中，把CMOS結(jié)構(gòu)中的共源、共漏、共柵結(jié)構(gòu)與雙極型晶體管中的共射、共集和共基結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，既對原有知識進(jìn)行回顧，也加深了學(xué)生的理解。對電流鏡、差分放大器和負(fù)反饋等內(nèi)容，通過與“模擬電子線路”中相關(guān)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，從原有的知識入手，通過歸類和比較來學(xué)習(xí)，有利于加深認(rèn)識。

“模擬集成電路設(shè)計”與底層的物理設(shè)計較緊密，而“數(shù)字集成電路設(shè)計”則建立在較上層的抽象層次上。為了給學(xué)生建立它們之間的關(guān)聯(lián)，在前者完成了反相器的實驗后，即向邏輯電路延伸，設(shè)計與非門和或非門等基本邏輯，并利用已完成的基本邏輯單元構(gòu)成觸發(fā)器，從而深化了與后者的聯(lián)系，也有助于學(xué)生理解集成電路設(shè)計流程中的層次關(guān)系。

3 實踐和實驗的結(jié)合

3.1 設(shè)計工具的掌握

“模擬集成電路設(shè)計”具有很強(qiáng)的實踐性，在以應(yīng)用性和實踐性為導(dǎo)向的工程碩士教育中，這一點更是重中之重，讓學(xué)生能夠在掌握理論知識的基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用［6]?？紤]到基于SPice工具的電路仿真，不能夠滿足集成電路設(shè)計的要求［7，8]，而且集成電路的性能與選用的工藝也有很強(qiáng)的相關(guān)性。因此，在基本理論授課之后，進(jìn)行基于集成電路設(shè)計工具軟件的上機(jī)實踐是非常必要的。在設(shè)計流程中應(yīng)用MOSIS工藝文件，為降低入門難度，根據(jù)實驗的內(nèi)容，對其設(shè)計規(guī)則進(jìn)行了適當(dāng)簡化。

實踐內(nèi)容包括不同結(jié)構(gòu)的單級放大器和差分放大器的電路級仿真，重點強(qiáng)調(diào)對直流、交流、瞬態(tài)的分析方法的理解和掌握，把理論知識和集成電路仿真聯(lián)系起來。在掌握了電路級仿真工具和方法后，以反相器為例，進(jìn)行了從前端到版圖的完整設(shè)計。即要求學(xué)生對反相器分別建立電路圖、符號和版圖的視圖，為反相器建立測試基準(zhǔn)。他們通過調(diào)用符號視圖，實現(xiàn)前端仿真，在完成版圖設(shè)計和寄生參數(shù)提取后，根據(jù)提取規(guī)則生成提取版圖，再基于測試基準(zhǔn)進(jìn)行后仿真。

3.2 綜合實驗的強(qiáng)化

在完成了基本實驗的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，為一些學(xué)有余力的學(xué)生開設(shè)了可選綜合實驗。我們在綜合實驗中采用項目導(dǎo)向和產(chǎn)品導(dǎo)向的思路，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主觀能動性。我們參照企業(yè)中的項目運作模式，模擬了從前期調(diào)研、項目執(zhí)行到市場影響的整個流程。項目內(nèi)容由學(xué)生自行提出，自愿組合，2～5人不等。推選一名專業(yè)能力和組織協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)的學(xué)生作為項目經(jīng)理負(fù)責(zé)項目計劃、項目實施、質(zhì)量控制和項目營銷。對于市場營銷的部分，采用項目展示和專家答辯的方法進(jìn)行，完整模擬了一個項目的實施過程。這一流程對學(xué)生的綜合素質(zhì)，主要包括團(tuán)隊合作、業(yè)務(wù)知識、交往能力、表達(dá)能力和營銷能力都提出了要求。通過這樣的模擬項目運作，有助于學(xué)生提高個人素質(zhì)，也有助于他們盡早找準(zhǔn)自我定位。

4 結(jié)語

在近四年來的教學(xué)中，筆者對工程碩士“模擬集成電路設(shè)計”課程的教學(xué)進(jìn)行了探索。在與部分學(xué)生的交流和學(xué)生的課堂表現(xiàn)中看到，此部分教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實驗設(shè)置的探索取得了良好的效果，使學(xué)生對課程具有顯著的學(xué)習(xí)興趣和課程關(guān)注度。

從用人單位的反饋看，這種教學(xué)探索有助于課堂學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實踐的對接，學(xué)生較好地掌握了模擬集成電路設(shè)計工具和流程，具有較強(qiáng)的實踐動手能力，在走進(jìn)工作崗位后有較強(qiáng)的主動性和目標(biāo)性，對企業(yè)環(huán)境適應(yīng)快。

［1] 教高［2003] 2號.教育部、科技部關(guān)于批準(zhǔn)有關(guān)高等學(xué)校建設(shè)國家集成電路人才培養(yǎng)基地的通知［J] .北京:中國現(xiàn)代教育裝備，2004(02):61-62.

［2] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits［M] .McGraw－Hill Boston，MA，2001.

［3] Phillip E.Allen，Douglas R.Holberg.CMOS Analog Circuit Design.Second Edition［M] .Oxford University Press，2002.

［4] Paul R.Gray，Paul J.Hurst，Stephen H.Lewis，Robert G.Meyer.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits.Fifth Edition［M] .John Wiley＆Sons，2009.

［5] 何樂年，王憶.模擬集成電路設(shè)計與仿真［M] .北京:科學(xué)出版社，2008.

［6] 杜曉晴.電子專業(yè)課授課方式的選?。跩] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(S1):63-65.

［7] 余華，文玉梅.電子信息大類專業(yè)的微電子工程教育平臺建設(shè)與研究［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31(S1):137-139.

［8] 袁穎等.集成電路設(shè)計實踐教學(xué)平臺建設(shè)的研究［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(S1):83-85.