微電子專業(yè)模擬集成電路設(shè)計課程改革實(shí)踐研究

徐衛(wèi)林 彭曉春 韋雪明

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

微電子專業(yè)模擬集成電路設(shè)計課程改革實(shí)踐研究

徐衛(wèi)林 彭曉春 韋雪明

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于模擬集成電路設(shè)計課程教學(xué)改革的需要和微電子專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證的迫切要求，筆者在十余年的教學(xué)過程中，對課程定位、教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教材選擇和教學(xué)方法等進(jìn)行了不斷的改革，以適應(yīng)微電子技術(shù)快速發(fā)展的需要，提高課堂活力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，突出該門課程的工程性和實(shí)踐性，強(qiáng)調(diào)芯片設(shè)計中多個指標(biāo)之間的折中與優(yōu)化，教學(xué)中并不拘泥于教材，拓展學(xué)生們的知識面和知識深度，促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量的有效提高。

微電子；模擬集成電路設(shè)計；課程定位；課程改革

1 前言

微電子科學(xué)與工程專業(yè)是在物理學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、集成電路設(shè)計制造學(xué)等多個學(xué)科和超凈、超純、超精細(xì)加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。國內(nèi)很多的微電子專業(yè)是在“半導(dǎo)體物理與器件”專業(yè)或者“電子材料與器件”專業(yè)上發(fā)展起來的，例如西安交通大學(xué)的微電子專業(yè)是源于1958年組建的“半導(dǎo)體物理與器件”專業(yè)?？梢哉f，微電子專業(yè)是一個古老又年青的學(xué)科專業(yè)。桂林電子科技大學(xué)在2002年設(shè)立了微電子專業(yè)，是國內(nèi)比較早設(shè)立該專業(yè)的大學(xué)。經(jīng)過十余年的發(fā)展，已經(jīng)建立起較為完善合理的培養(yǎng)方案和課程體系。

微電子專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容往往變動非常小，例如電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯等，但專業(yè)限選課程卻需要緊跟時代的發(fā)展，做出相應(yīng)的調(diào)整?！澳M集成電路設(shè)計”課程在課程體系中的課程名是“現(xiàn)代模擬集成電路原理及應(yīng)用”，依據(jù)專業(yè)發(fā)展和專業(yè)認(rèn)證的需要，根據(jù)本課程的性質(zhì)、內(nèi)容對教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了自主改革，目的是以更適合微電子專業(yè)方向的教學(xué)內(nèi)容改革為契機(jī)，提高課堂活力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量的有效提高。

2 課程改革的初衷與課程內(nèi)容的演變

改革的初衷與緣由可以從課程演變的歷史中找到答案。筆者從2006年開始擔(dān)任此課程，對本課程的改革如圖1所示。最初本課程是一門各個專業(yè)都可以選修的任選課程，課程名是“電流模電路”，所采用的教材是趙玉山的《電流模式電子電路》［1］，后來教材改為秦世才的《現(xiàn)代模擬集成電子學(xué)》［2］，適用專業(yè)是通信工程、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)和微電子學(xué)等電類各專業(yè)，教材和教學(xué)內(nèi)容是以電流模系統(tǒng)模塊的應(yīng)用介紹為主，涵蓋了跨導(dǎo)放大器、電流傳送器、電流反饋運(yùn)放、電流模濾波器和開關(guān)電流等，內(nèi)容上以這些模塊的端口電壓與電流傳輸函數(shù)特性研究為主，雖然捎帶介紹了這些模塊的晶體管電路構(gòu)成，但是并不涉及晶體管電路的具體設(shè)計，對于非微電子專業(yè)的學(xué)生來說比較合適，但是對微電子專業(yè)的學(xué)生來說有點(diǎn)淺嘗輒止。

圖1 課程的歷史演變和改革

為了解決上述問題，2008年專門針對微電子專業(yè)做了教學(xué)大綱的修訂，提出要建設(shè)一門適合微電子專業(yè)模擬集成電路設(shè)計方向的專業(yè)限選課程。課程名字修改為“現(xiàn)代模擬集成電路原理及應(yīng)用”，以王衛(wèi)東的《現(xiàn)代模擬集成電路原理及應(yīng)用》［3］為教材，這本教材實(shí)質(zhì)上是繼承了趙玉山和秦世才教材的內(nèi)容，并進(jìn)行了適度的拓展，融入了較多的CMOS晶體管電路的原理介紹和典型應(yīng)用分析，但總體來說還是一本電流模方向的教材，以模塊應(yīng)用為主而不是以模塊設(shè)計為主展開。基于此，2015年，再次修改教材，選定Razavi的全美經(jīng)典教材《模擬CMOS集成電路設(shè)計》［4］，內(nèi)容上也有了翻天覆地的變化，完全切合了微電子方向的培養(yǎng)需要。

3 培養(yǎng)目標(biāo)、主線脈絡(luò)和課程定位

本課程的內(nèi)容體系與其他相關(guān)課程如模擬電子技術(shù)、電路分析等保持著緊密的銜接與交融，是工程性、實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程。課程目的和任務(wù)是讓學(xué)生掌握模擬集成電路設(shè)計的基本理論與應(yīng)用技術(shù)，既介紹模擬集成電路的基本原理、小信號分析、頻率響應(yīng)與穩(wěn)定性等，更強(qiáng)調(diào)各個設(shè)計指標(biāo)之間的折中與優(yōu)化。2015年，為更好的實(shí)現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)，采用了Behzad Razavi的《模擬CMOS集成電路設(shè)計》作為教材，本教材從集成電路設(shè)計的角度出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了IC設(shè)計所需要了解的器件和工藝基礎(chǔ)，并系統(tǒng)地介紹了基本組態(tài)的放大電路、電流鏡、帶隙基準(zhǔn)電壓源、折疊和套筒運(yùn)放、頻響與穩(wěn)定性及其補(bǔ)償?shù)龋貏e強(qiáng)調(diào)各個設(shè)計指標(biāo)（如增益、擺幅、功耗、芯片面積等）之間的折中與優(yōu)化。總體來說，選擇這本從國外引入的優(yōu)秀的經(jīng)典教材更適合作為微電子科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)教材。

圖2 專業(yè)培養(yǎng)的主線、脈絡(luò)和本課程的定位

專業(yè)培養(yǎng)的脈絡(luò)、主線和本課程的定位可以借助圖 2進(jìn)行詮釋。五角星處是現(xiàn)代模擬集成電路原理及應(yīng)用，圖中清晰的體現(xiàn)了本課程和前續(xù)兩條主線課程的關(guān)系。課程一開始，就借助這樣的圖片和思路向?qū)W生們展現(xiàn)了本課程的定位和性質(zhì)。

4 第一堂課與本課程的主線及其外延

第一堂課的重要任務(wù)是激發(fā)學(xué)生興趣；讓學(xué)生把握課程定位和課程內(nèi)容；了解行業(yè)情況；了解設(shè)計任務(wù)和所面臨的挑戰(zhàn)。因此課程一開始，就向?qū)W生們介紹了本課程的定位和培養(yǎng)目標(biāo)，在當(dāng)今的數(shù)字世界中為什么需要學(xué)習(xí)模擬集成電路設(shè)計，主要內(nèi)容又是什么？并向他們介紹了芯片設(shè)計在桂電和國內(nèi)外的發(fā)展情況，以及全球在IC設(shè)計領(lǐng)域的大牛們，教學(xué)思路如圖 3所示。從課堂的反應(yīng)來看，的確強(qiáng)烈地激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

圖3 第一堂課與本課程的主線及其外延

圖4 折疊式Cascode運(yùn)放相對于套筒式結(jié)構(gòu)的多維參數(shù)折中與優(yōu)化

此外，專業(yè)限選課程與專業(yè)基礎(chǔ)課程有很大的不同。這一點(diǎn)，在課程一開始的時候也必須向?qū)W生交待清楚。專業(yè)基礎(chǔ)課程歷經(jīng)幾十年的發(fā)展和積淀，所涉及的內(nèi)容基本上是固定的。而專業(yè)限選課程必須緊跟行業(yè)的發(fā)展，往往一兩本教材很難體現(xiàn)學(xué)科的內(nèi)容和前沿發(fā)展，因此在教學(xué)中，跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)在專業(yè)限選課程的學(xué)習(xí)上，應(yīng)當(dāng)多參考幾本教材，充分利用IEEE LIBRARY，Web of Science等數(shù)字圖書館，跟蹤最前沿的芯片技術(shù)的發(fā)展還可以進(jìn)一步了解全球頂尖的 IC期刊，例如JSSC，MTT和T-CAS等。

5 貫穿整個教學(xué)的多維參數(shù)折中與設(shè)計優(yōu)化

模擬集成電路設(shè)計的挑戰(zhàn)實(shí)際上是多維參數(shù)的折中與優(yōu)化，包括了速度、功耗、增益、噪聲、芯片面積等等。這一思想，實(shí)際上不僅僅在第一堂課就明確的提出來了，而且在后續(xù)的各個章節(jié)中都實(shí)實(shí)在在的進(jìn)行了闡釋和分析計算，例如圖4就是在第七章教學(xué)過程中，折疊式Cascode運(yùn)放相對于套筒式結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)出來的多維參數(shù)折中與優(yōu)化思想。

6 總結(jié)

總體來說，本門課程改革的突出特征可以歸納為以下幾個方面。第一，課程改革不斷深入，首次引入更適合微電子科學(xué)與工程專業(yè)的美國Razavi經(jīng)典教材。第二，融合IC業(yè)界知識和工程實(shí)踐案例，強(qiáng)烈地激發(fā)了學(xué)生興趣。黑板和多媒體結(jié)合，黑板為主。第三，進(jìn)一步明確課程的培養(yǎng)目標(biāo)，更好地體現(xiàn)了本課程在整個課程體系中的定位。第四，上好第一堂課，把握本課程的主線脈絡(luò)及其知識外延，拓展學(xué)生們的知識面和知識深度。第五，整個教學(xué)過程中，始終突出模擬集成電路設(shè)計的多維參數(shù)折中與優(yōu)化。課程改革不僅僅取得了較好的課堂教學(xué)效果，對提升微電子專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計水平乃至畢業(yè)后的職業(yè)生涯都起到了很好的促進(jìn)作用。

［1］ 趙玉山，周躍慶，王萍.電流模式電子電路［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2001.

［2］ 秦世才，高清運(yùn).現(xiàn)代模擬集成電子學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［3］ 王衛(wèi)東.現(xiàn)代模擬集成電路原理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］ ［美］Behzad Razavi.模擬 CMOS集成電路設(shè)計（簡編版）［M］.陳貴燦，程軍，張瑞智，譯.西安:西安交通大學(xué)出版社，2013.［5］ 吳文華.埋線治療單純性肥胖60例的臨床觀察［J］.衛(wèi)生職業(yè)教育，2006，24（6）:147-148.

［6］ 沈永勤.淺論手足同名經(jīng)上下相應(yīng)交叉取穴法［J］.陜西中醫(yī)，2002，22（8）:730-731.

［7］ 黃海濤，鄭盛惠.靳三針微創(chuàng)埋線治療單純性肥胖癥38例臨床觀察［J］.中醫(yī)藥導(dǎo)報，2012，18（3）:52-53.

［8］ 潘文宇，劉醒如，周昭輝.臍周八穴為主治療單純性肥胖癥及其對胰島素抵抗調(diào)節(jié)作用的臨床研究［J］.時珍國醫(yī)國藥，2010，21（4）:945-947.

［9］ 潘展恒.薄氏腹針穴位埋線治療單純性肥胖癥的臨床觀察［D］.廣州:南方醫(yī)科大學(xué)，2008.

［10］ 汪泓，秦黎虹，馬文明.俞募配穴針刺治療單純性肥胖癥 35例［J］.中國醫(yī)藥指南，2011，9（13）:301-302.

［11］ 阮志忠，陸瑾.俞募配穴法穴位埋線治療單純性肥胖癥 35例［J］.陜西中醫(yī)，2009（12）:1650-1651.

［12］ 任媛媛.背俞穴為主埋線治療單純性肥胖 130例［J］.陜西中醫(yī)，2011，32（10）: 1370-1371.

［13］ 崔瑾.多針刺法探討［J］.中國中醫(yī)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)雜志，2004，10（5）:66-68.

［14］ 馮斌，熊芳麗.腰腹群針埋線法治療單純性肥胖臨床觀察［J］.中醫(yī)臨床研究，2012，4（20）:32-33.

Research on the curriculum reform practice of analog integrated circuit design in Micro-electronics Major

Based on the curriculum reform requirements of analog integrated circuit design and the urgent requirement of microelectronics engineering education professional certification， the reform of curriculum orientation， teaching outline， teaching content，teaching material selection and teaching methods has been carried by authors in the past ten years. It can meet the needs of the rapid development of microelectronic technology， can encourage students' study interest and stimulate life vigor of classroom. Meanwhile， the curriculum reform highlight the engineering and practice of this course and emphasize the chip design specifications' compromise and optimization. Teaching process do not rigidly adhere to textbooks and expand students' knowledge and depth of knowledge. These reform promote effective improvement of the quality of classroom teaching.

Micro-electronics； analog integrated circuit design； curriculum orientation； curriculum reform

G642.0

A

1008-1151（2016）08-0111-03

2016-07-10

廣西教育廳廣西高校青年教師教學(xué)業(yè)務(wù)能力提升計劃和2016年廣西創(chuàng)優(yōu)計劃項目資助。

徐衛(wèi)林（1976-），男，湖南邵陽人，桂林電子科技大學(xué)博士，副教授，研究方向為集成電路設(shè)計。