“集成電路原理與應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)改革探索

孫 靜，周細(xì)鳳，田 莉，李延平，張向華，李 立

（湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子產(chǎn)品向著智能化、小型化和低功耗發(fā)展.集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，同時(shí)也推動(dòng)著整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1].因此，對(duì)集成電路相關(guān)人員的需求也日益增加.目前國(guó)內(nèi)不僅“985”、“211”等重點(diǎn)院校開設(shè)了集成電路相關(guān)課程，一些普通本科院校也開設(shè)了這些課程.課程的教學(xué)內(nèi)容由單純的器件物理轉(zhuǎn)變?yōu)榘M集成電路、數(shù)字集成電路、集成電路工藝、集成電路封裝和集成電路測(cè)試等[2].隨著本科畢業(yè)生就業(yè)壓力的不斷增加，培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型本科人才顯得日益重要.然而，從目前我國(guó)各高校集成電路的課程設(shè)置來看，存在著重理論輕實(shí)踐、重講授輕考核等問題，導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)接受，學(xué)習(xí)積極性不高，動(dòng)手能力差，不能適應(yīng)企業(yè)的要求.

本文結(jié)合湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)際，詳細(xì)闡述了當(dāng)前“集成電路原理與應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，介紹了該課程的教學(xué)改革措施，旨在提高電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)興趣，將理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力.

1 “集成電路原理與應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)存在的主要問題

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)少，學(xué)生動(dòng)手能力差

集成電路是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)方向之一.學(xué)生無論是選擇就業(yè)還是繼續(xù)深造，熟練掌握一些常用的集成電路EDA軟件是必不可少的，這也是畢業(yè)后能夠盡快融入工作或攻讀研究生的基礎(chǔ).但本課程沒有單獨(dú)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程，只有10課時(shí)實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足課程的要求，學(xué)生得到訓(xùn)練的機(jī)會(huì)比較少，動(dòng)手能力很差.另外，對(duì)于集成電路來說，大量的理論基礎(chǔ)，如固體物理、半導(dǎo)體物理、晶體管原理，均要求學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要好.這對(duì)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生來說，則產(chǎn)生畏難心理.而實(shí)驗(yàn)課作為引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要手段，較少的課時(shí)也不能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

1.2 理論與實(shí)驗(yàn)不能很好地結(jié)合

圖1 (a)含有二極管的仿真電路圖，(b)二極管的I-V特性曲線

在當(dāng)今的集成電路設(shè)計(jì)中，電路仿真是必不可少的.但是學(xué)生不善于對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單、直觀的分析，不深入理解電路的工作原理，因此就不能準(zhǔn)確的解釋仿真結(jié)果.在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班的進(jìn)行操作，出了結(jié)果則萬事大吉，對(duì)于仿真出來的結(jié)果有什么物理含義，其影響因素是什么則一無所知.如，本課程的第一次實(shí)驗(yàn)是Cadence入門，其目的在于學(xué)會(huì)用Cadence觀察二極管的I-V特性，如圖1所示.其中圖1(a)為含有二極管的仿真電路圖，圖1(b)為二極管的I-V特性曲線，為Cadence仿真圖.在實(shí)驗(yàn)的過程中，很多同學(xué)按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，得出了二極管的I-V特性曲線.但是當(dāng)老師檢查結(jié)果時(shí)，問仿真出來的是什么？學(xué)生則一臉茫然，不能與“模擬電子技術(shù)”課程上所學(xué)的理論知識(shí)聯(lián)系起來.

2 “集成電路原理與應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)改革

2.1 明確目標(biāo)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核

目前，“集成電路原理與應(yīng)用”課程的實(shí)驗(yàn)僅有10學(xué)時(shí)，這10學(xué)時(shí)還包括1-2學(xué)時(shí)的Cadence軟件以及操作系統(tǒng)的熟悉時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生將理論融入實(shí)踐的需求.因此，建議實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)應(yīng)從原來的10學(xué)時(shí)，增加到32學(xué)時(shí).實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括Cadence入門、基本半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能測(cè)試及仿真、基本門電路的設(shè)計(jì)與仿真、BJT管的版圖設(shè)計(jì)、MOS管的版圖設(shè)計(jì)、CMOS反相器的版圖設(shè)計(jì)、觸發(fā)器、存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)等.

為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，在實(shí)驗(yàn)過程中，要不斷進(jìn)行考核.下面以全定制模擬集成電路的典型設(shè)計(jì)流程[3]（圖2所示）為例，來說明強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核的方式.在集成電路的整個(gè)設(shè)計(jì)流程中，由于流片費(fèi)用很高，導(dǎo)致這一步無法實(shí)現(xiàn).另外，對(duì)于剛剛接觸集成電路設(shè)計(jì)的本科生來說，尤其是我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，一個(gè)實(shí)驗(yàn)不可能包括這些所有步驟.因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，我們將這些步驟分別展開成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的每一步驟制訂了相應(yīng)的考核內(nèi)容，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的每一步驟都有一個(gè)明確的目標(biāo)，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)目的性和動(dòng)手的積極性，見表1所示.通過在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中對(duì)集成電路的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行重復(fù)操作、考核，加深了學(xué)生對(duì)Cadence軟件的熟悉程度，使學(xué)生可以熟練掌握集成電路的設(shè)計(jì)方法和流程.當(dāng)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容融會(huì)貫通以后，就可以獨(dú)立的進(jìn)行集成電路的設(shè)計(jì)，動(dòng)手能力得到了提高.

圖2 全定制模擬集成電路的典型設(shè)計(jì)流程圖

表1 集成電路的設(shè)計(jì)流程及考核內(nèi)容表

2.2 解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深對(duì)理論知識(shí)的理解

目前，學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)理論知識(shí)無用，而做實(shí)驗(yàn)，又覺得一無所獲.歸其原因，是理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能很好地結(jié)合起來.針對(duì)此現(xiàn)象，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果來解釋抽象的理論知識(shí)，并使用理論知識(shí)來解決實(shí)驗(yàn)過程中所遇到的問題和故障，取得了很好的效果.圖3(a)所示是一個(gè)電阻R0做負(fù)載的共源級(jí)放大器，利用Cadence軟件仿真研究了不同負(fù)載電阻R0對(duì)共源級(jí)放大電路輸出電壓的影響，如圖3(b)所示.通過仿真，發(fā)現(xiàn)該電路的增益（圖中斜線的斜率）隨負(fù)載電阻R0的增大而增大，而輸入輸出擺幅則隨著負(fù)載電阻R0的增大而減小.在教學(xué)過程中，就需要引導(dǎo)學(xué)生將直觀的仿真結(jié)果與理論聯(lián)系起來.在理論課堂上，我們對(duì)圖3(a)這個(gè)電路進(jìn)行了大信號(hào)和小信號(hào)分析.對(duì)于該電路的小信號(hào)模型，理論推導(dǎo)了它的增益為[4]

并對(duì)該結(jié)果進(jìn)行了討論，討論結(jié)果如下：（1）增大電阻負(fù)載R0可以提高增益；（2）較大的電阻負(fù)載R0會(huì)限制電路的最大電壓擺幅.當(dāng)時(shí)，學(xué)生對(duì)于這個(gè)討論結(jié)果，在大腦中一帶而過，沒有什么印象.通過實(shí)驗(yàn)與理論進(jìn)行聯(lián)系，學(xué)生有了直觀的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)枯燥的理論知識(shí)的理解.

圖3 (a)電阻做負(fù)載的共源級(jí)放大器，(b)不同電阻負(fù)載下，共源級(jí)放大器的輸入-輸出電壓曲線

2.3 參加競(jìng)賽，參與項(xiàng)目，校企聯(lián)合培養(yǎng)

鼓勵(lì)學(xué)生積極參加國(guó)家級(jí)、省級(jí)的各類電子設(shè)計(jì)大賽，通過賽前培訓(xùn)以及比賽的實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力.鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目，利用所學(xué)的理論知識(shí)，深入研究解決復(fù)雜的實(shí)際問題，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合能力.

積極聯(lián)系與集成電路相關(guān)的設(shè)計(jì)公司、制造企業(yè)以及代工廠，邀請(qǐng)企業(yè)的工程師來學(xué)校講學(xué).一是通過舉辦講座，使學(xué)生對(duì)集成電路行業(yè)有更多的了解，知道自己需要掌握哪些知識(shí)，畢業(yè)后可以從事哪方面的工作，進(jìn)而鞭策自己為達(dá)到目標(biāo)，主動(dòng)學(xué)習(xí).另外，和企業(yè)工程師一起制定一些適合學(xué)生實(shí)際的項(xiàng)目，解決學(xué)校培養(yǎng)與企業(yè)用人之間的脫節(jié)問題，讓學(xué)生畢業(yè)后，在很短的時(shí)間內(nèi)就能參與到企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中.

3 結(jié)語

集成電路自二十世紀(jì)五十年代被提出以來，經(jīng)歷了小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模，目前已經(jīng)進(jìn)入到了片上系統(tǒng)階段.雖然集成電路的發(fā)展日新月異，但集成電路相關(guān)人才的學(xué)校培養(yǎng)與社會(huì)需求存在很大的差距.因此，對(duì)集成電路相關(guān)課程的教學(xué)改革刻不容緩.基于此，本文從“集成電路原理與應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)出發(fā)，詳細(xì)闡述了“集成電路原理與應(yīng)用”課程實(shí)踐教學(xué)所存在的主要問題，并有針對(duì)性的提出了該課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革措施，這對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型的集成電路相關(guān)專業(yè)的本科畢業(yè)生具有積極的指導(dǎo)意義.

〔1〕楊媛，余寧梅，高勇.半導(dǎo)體集成電路課程改革的探索和思考[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008（3）：78-79.

〔2〕殷樹娟.集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)的本科實(shí)踐教學(xué)探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013,32（12）：148-151.

〔3〕韓雁.集成電路設(shè)計(jì)CAD/EDA工具實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

〔4〕畢查德·拉扎維著，陳貴燦，程軍，張瑞智等譯.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.