浅谈集成电路设计竞赛对《模拟集成电路设计》课程教学的促进作用

西安交通大学微电子学系 张 鸿

浅谈集成电路设计竞赛对《模拟集成电路设计》课程教学的促进作用

西安交通大学微电子学系 张 鸿

近年来，我国集成电路产业蓬勃发展，但却面临着优秀设计人才严重匮乏的困境。高校开设的集成电路设计课程与目前集成电路的快速发展存在一定程度的脱节，是导致这一问题的主要原因之一。《模拟集成电路设计》是目前高校微电子专业的核心课程之一，涵盖知识面广、抽象程度高，学生普遍反映学习难度较大。对该课程多年的教学经验表明，将实践与教学紧密结合，是提升教学效果的有效方法。集成电路设计大赛这种方式一方面为模拟集成电路的教学提供了高水平的实践平台，使学生能够通过比赛加深对课程内容的理解，提升了教学效果；另一方面，大赛也促进了高校与高校、高校和企业在集成电路设计方面的交流； 更重要的是大赛通过竞技的方式激发了教师和学生的创新思维，能够进一步促进相关的科研进展。

集成电路；《模拟集成电路设计》课程；教学

0 引言

集成电路产业是一个国家的基础性、关键性产业。我国面对新的经济兴起和国际竞争格局，必须建立起自己强大的集成电路产业链，为信息产业和整个国民经济的发展提供强有力的支撑。发展集成电路产业，除需要解决技术和市场面临的种种问题外，还必须从根本上解决集成电路人才培养的问题，从而为整个集成电路的科研和生产源源不断地培养出符合行业要求，能与工程实践接轨的各类人才，尤其是设计类人才。

普遍而言，模拟集成电路相对于数字集成电路对设计者的经验和智慧要求更高，模拟设计工程师通常需要更长期的实践积累，才能达到很高的设计水平。高校开设的模拟集成电路设计课程作为该类人才培养的核心课程，其教学效果对激发相关学生的兴趣，积累扎实的理论基础，培养创新的思维模式有着至关重要的作用。然而，模拟集成电路课程的学习不但需要以半导体物理、器件和电路等物理类课程作为基础，又需要以信号与系统和自动控制原理等系统级课程中的理论作为电路设计与分析的依据，涵盖知识面广、抽象程度高。因此，学生普遍反映该课程的学习难度较大。根据笔者所在教学团队多年对模拟集成电路课程的教学经验，在理论教学过程中有机地结合各种形式的实践，是提升该课程教学效果行之有效的手段。一般而言，高校针对该课程开设的实践环节的通常采用课程设计的方式，这对加强学生的学习兴趣、增强动手实践能力并加强对理论知识的理解有着积极的作用。但是，这类实践内容和形式相对固定，不利于激发学生的创新思维。

集成电路设计大赛这种方式一方面为模拟集成电路的教学提供了更高水平的实践平台，使学生能够通过比赛加深对课程内容的理解，提升了教学效果；另一方面，大赛也促进了高校与高校、高校和企业在集成电路设计方面的交流； 更重要的是大赛通过竞技的方式激发了教师和学生的创新思维，能够进一步促进相关的科研进展。

本文将简要分析模拟集成电路设计课程目前在教学中面临的困境，在此基础上阐述实践对课程教学效果的重要作用，并重点分享指导学生参加本次集成电路设计大赛的一些心得和体会。

1 模拟集成电路设计教学面临的困境

结合笔者所在团队多年本科、研究生教学中所积累的经验，模拟集成电路的教育目前主要面临以下困难。

1.1 教材陈旧，翻译较为粗糙

现在本科生、研究生手中的教材多为一些入门级的经典教材，这些教材虽然很适合学生知识体系的构建和对集成电路行业形成初步理解，但在现在这样一个集成电路技术发展日新月异的时代，这些教材往往与现代的工程实践存在较大的脱节。除此之外，一些教材的翻译水平往往参差不齐。一些教材在国外被奉为经典，被翻译成中文后却枯燥无味、连篇累牍。还经常出现由不同的人员翻译不同的章节，使整本书连贯性差，使学生对知识的理解不够透彻。

1.2 理论教学与实践存在一定的脱节

学生往往容易过于依赖书本，脱离实践。在对本科生的教学中，许多学生对教材中内容掌握的相当透彻，考试也能得到一个相比较理想的分数。但结合具体的电路真正做起来却一筹莫展，感觉自己无从下手。有些学生熟知运算放大器的各项性能指标，却不知道这些指标会对一个具体的模拟数字转换电路造成什么影响，这都是由于脱离工程实践所造成的。学生们普遍都表现出了对仿真软件及仿真方法不熟悉，对实际应用中电路元件的非理想特性不适应，对版图知识的欠缺等问题。

1.3 教师和学生创新思维不足

创新是人类进步的源泉，而创新的火花往往是在实践中所遇到挫折的激励下迸发出来的，脱离了实践便无从谈创新，创新的可行性也必须由实践来检验。如果学生缺乏实践经验，那么他们便很难意识到已有电路结构中所存在的问题，意识不到问题何谈利用创新思维来解决问题呢？长此以往，思维之水迟滞而不前，怎能汇聚成江河之波涛披荆斩棘，一往无前。

2 教学与实践有机结合是突破困境的有效措施

模拟集成电路设计课程本身涵盖知识面广、容较为抽象，再加上教材较为陈旧，翻译教材又通常较为粗糙，仅依靠课堂教学很难达到理想的教学效果，更谈不上创新思维的培养了。为了解决这些问题，我们探索了一些将实践和理论教学有机结合的有效方法，主要体现在以下几个方面：

2.1 穿插必要的课后实验，实现理论教学与实践教学的有机结合

为了使学生能够及时地通过实践加深对所学内容的理解和掌握，在理论教学阶段根据教学进度加入了多个必要的课后实验内容，以使学生及时地通过实验加深对所学理论知识的理解，提升实践能力和动手能力，同时达到激发学生学习兴趣的目的。根据本课程以及模拟集成电路设计的特点，课后实验只需要学生在自己的个人电脑上安装业界通用的仿真软件（Hspice），老师再提供集成电路代工厂的CMOS器件模型文件，学生就可以方便地进行模拟电路的仿真分析，达到实验的目的。

2.2 增加集中实验的覆盖面

在集中进行了课程设计实验阶段，为了使学生通过实验更为全面地掌握所学的理论知识，并有效地提升模拟集成电路设计的实践能力和动手能力，我们设计多个内容丰富的题目包括：带隙基准的设计、高性能运放设计、振荡器设计、跨导放大器设计和高精度比较器设计等。题目的设计涵盖了整个理论教学的内容。在实验指导书中，除了以上几个题目的讲解外，还加入了进行实验所必须的软件使用指导和工艺器件模型仿真等内容。这些精心设计的集中实践题目，大大提升了学生对所学理论知识的掌握程度，并加强了他们的动手能力，以及分析问题和解决问题的能力。

2.3 通过参加集成电路设计大赛，激发学生创新思维

集成电路设计大赛为学生的实践提供了一个更为广阔的平台，其特有的激励方式更能激发学生参与竞赛，进行课程内容实践的兴趣。通常，大赛的题目并不规定具体的电路形式，要实现的目标只有下限，不设上限，最终通过综合评比的方式确定获奖者。这种实践方式显然比以上两种传统的实践环节更能够激发学生的创新思维。

3 指导学生参加“第五届大学生集成电路设计大赛”的心得和体会

2015年，笔者带领课题组三名本科毕业设计学生（大四）参加了“第五届大学生集成电路设计大赛”，并选择了“超低功耗带隙基准电路设计”的比赛命题，三名学生分别在大三第二学期和大四第一学期上了模拟集成电路设计课程和相应的集中课程设计。

该比赛命题要求以极低的功耗和面积实现一个具有低温度系数的带隙基准。接受命题后，学生很快意识到教科书上的传统带隙基准由于使用了电阻，必然存在功耗和面积的折衷。为了同时极小的面积和极低功耗，必须寻求新的结构。在查阅大量的相关科技论文后，决定采用近年才报道的无电阻带隙基准结构来完成比赛[1,2]。为了激发学生的创新思维，要求学生突破已有文献的限制，分析其结构还存在的问题，以及可改进和提升的可能。

接受任务后，由于有了创新驱动，三位学生显示出了极大的热情，并经过大量的电路仿真分析，发现原有电路中正温度系数电压产生电路的正温度系数过低，致使需要多个子级级联才能达到需要的正温度系数，增大了面积和功耗。发现这一问题后，学生们有致力于探索具有更大输出斜率的正温度系数电压产生电路。经过反复的讨论和仿真分析，最终研究出了一种具有更高补偿能力的正温度系数电路，将电路级数有原来的5级降为2级，显著地降低了电路的面积和功耗。随后，为了进一步降低温度系数，又自行设计了二阶温度补偿系统和修调电路，把温度漂移系数稳定地降到了10ppm/℃以下。

之后，学生顺利地完成了版图设计和后仿真验证。最终，凭借创新的电路结构和优异的电路性能，该电路获得了“超低功耗带隙基准”组唯一的一个一等奖。

学生们在大赛中获得了优异成绩，作为指导教师也获益良多。在参与此次大赛之前，我在本科生《模拟CMOS集成电路设计》和研究生《CMOS模拟系统设计》的授课中，是这样教书授课的：老师是主体，承担主要任务，尽管一节课下来累的大汗淋漓，也要把所有知识点讲解的透彻明白，希望学生学到更多。在参与指导此次大赛之后，我意识到学的多固然重要，但如果学生没有了创新精神，那他所学到的知识只不过是一潭死水。一潭死水怎么能比上一泓清泉？我们教师在教授知识的同时，也一定要让学生的知识结构“流动”起来。而实践就是创新的土壤，创新的种子只有在实践的土壤中才能开花、结果。而大赛正是提供了这样一种创新的土壤，使得教师和学生的创新思想得以发挥。

希望大学生集成电路设计大赛越办越好，在大学生集成电路设计实践和创新思维培养等方面发挥更加重要的作用！

[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))．

张鸿（1978-），男，博士，西安交通大学微电子学系，副教授。