CMOS集成电路课程教学的探讨与实践

贺 旭，邓全利

（湖南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410082）

0 引 言

集成电路作为信息产业的基础和核心，是关系国民经济和社会发展的全局战略性产业。近年来，智能手机、平板电脑等消费类电子产品以及移动互联网、3G通信、汽车电子、工业控制、仪器仪表、信息安全、医疗电子等市场快速发展，极大地带动了集成电路设计业的快速成长。CMOS集成电路因具有低功耗、大噪声容限、易于设计等特点，一直在RAM、CPU、DSP及ASIC等方面广泛应用。在这样的大环境下，高校计算机专业也开设了CMOS集成电路课程。

CMOS集成电路作为计算机智能专业的限选课程，使学生了解CMOS集成电路基础原理及分析和设计方法，初步熟悉集成电路的设计流程，并在此基础上扩宽当前芯片产业链、先进EDA工具、AI芯片等知识面。

教学采用“大班授课+小班讨论”的教学模式，以及“做中学”的教育理念[1]。区别于传统教学以教师为主导的方式，本课程以学生为中心，针对计算机智能专业学生的特点，采用多种教学手段，让学生更加主动地学习、实验和调研。

1 教学中存在的问题

CMOS集成电路课程是面向计算机智能专业学生的限选课，安排在大三上学期。这些专业的学生都先修了计算机组成原理和数字逻辑等课程，对计算机系统硬件设计有一定了解[2]。但因为专业培养目标更偏向于计算机应用，在硬件设计上的实践训练要求不像电子或通信专业那样深入，主要目标是让学生掌握CMOS电路的原理和分析方法，从而更好地利用计算机系统实现所需功能。

与计算机专业的核心编程课程相比，CMOS集成电路课程在知识趣味性和学生学习动力方面都有所不同，主要存在以下问题[3-10]。

（1）缺乏灵活性：即使目前课程早已采用多媒体教学，但本质上还是教师课堂授课，学生被动听课。CMOS集成电路不是易于上机实践、操作性强的课程，课堂授课方式单一，理论性教学枯燥无味，影响授课效果。

（2）缺乏实践环节：CMOS集成电路的所有内容都离不开实验验证，仅仅在一个学期的时间内把大量理论知识灌输给学生，而没有相应的实践手段加以辅助，只通过习题和考试的方式，很难使学生消化知识。

（3）考核方法单一：计算机专业是基于动手上机和实验的工科专业，仅通过考试考核学生对知识的掌握是很片面的，学生容易通过死记硬背应付考试，考试一过就忘记所学知识点。在碰到具体硬件问题时无从下手，会失去开设集成电路课程的意义。

2 教学手段和内容

为了让学生主动发现问题、解决问题，课堂教学可以先抛出问题，再引导学生思考调研，让学生主动学习、主动讨论。

课程的教学方式分为以下3种。

（1）理论教学：要求在对CMOS器件和连线特性做简要介绍后，深入分析CMOS静态电路和动态电路的特点，内容包括反相器及其他基本单元门电路的设计、传输门、多米诺电路、双稳态电路等，并逐步将这些知识延伸到存储器的设计、组合逻辑电路CPU的设计等。此外还会涵盖集成电路的设计与制作过程的浅显介绍，让学生对芯片硬件设计有更加深入的了解。

（2）课程实验：利用HSpice、Avanwaves等EDA工具，对教学中的电路进行仿真分析和波形查看，深化对理论知识的了解，包括MOS晶体管的电压电流特性、反相器特性和振荡器仿真、单元门电路设计、存储器和全加器的设计等多个实验。

（3）小班讨论：根据理论教学进度，安排学生做课外调研讨论，内容既有教学的难点（如反相器的原理和应用、双稳态工作原理等），也有当前芯片发展的热点（如后摩尔时代、AI芯片、Xilinx FPAG设计工具Vivado HLS等）。

评估包括理论课程期中期末考试、课程实验、平时作业及讨论课多个部分。

以上3种教学方式，并不是CMOS集成电路特有的，如何将这3种教学方式有机结合在集成电路课程中，本文在第3章的案例中进行介绍。

3 教学案例分析

以反相器的原理和应用这一主题为例，进行案例介绍。

反相器传统的功能就是逻辑取反，CMOS电路采用一个NMOS作为下拉电路，一个PMOS作为上拉电路即可，这是反相器最表层知识。为了深入讲解反相器，本课程采用引导方式教学，具体的实施过程和不同过程的关联见图1。

预习环节：让学生未学习或仅学习反相器最表层知识后，开展一次小班主题讨论，每个班5名左右学生，每次15～20分钟，每人就反相器的应用进行调研，包括但不局限逻辑取反、输出标准电压、振荡器、双稳态电路、缓冲器（buffer，电路连线中两个反相器级联减少线长时延）、反相器级联放大信号等用途。这样，不仅大大扩宽学生对所学反相器的了解，还可以引导他们探索为什么反相器有这些用途。

授课环节：在小班主题讨论之后，课堂授课可以就反相器的原理和设计进行全面讲解，对讨论课中学生没有回答清楚或回答不全面的各知识点进行对应强化。例如，图2（a）是反相器的直流电压传输曲线，通过分段函数的方式推导出来，其中可以看出输入Vin的电压在0～VTN范围内，Vout都处于VDD，同理在Vin的电压在VDD+VTP～VDD范围内，Vout都处于0V。这就很好地解释了为什么反相器可以对不标准的输入做到输出标准电压这个用途。

图2 反相器授课环节举例

实践环节：深化反相器时延模型。在课程授课时，对反相器时延的分析，正比于反相器的负载电容CL以及反相器自身MOS晶体管Ro（一般根据NMOS和PMOS的导电因子、阈值电压计算）。但这个理论知识课程讲解很空泛，为了让学生更好地熟悉RC时延公式，实验中让他们采用HSpice软件进行反相器时延仿真，包括对称/非对称反相器分析、反相器NMOS，PMOS宽长比W/L的设计、振荡器周期分析等。图3为反相器部分实验内容举例。

在讲解反相器的过程中，还会提出一些教材没有的问题让学生思考，比如早期CMOS没有大规模应用时，多采用单沟道技术（只用一种晶体管，要么NMOS，要么PMOS），那么只有NMOS构成的反相器是什么样的？课堂和课后并没有给出答案，让学生自己搜索资料，解开谜团。虽然只有少数学生解开答案，但让大多数人对半个多世纪前集成电路历史有了更多认识。

图3 反相器实验环节举例

4 教学经验

4.1 总体情况

笔者在2017-2018年课程中采用了上述教学方案，发现学生们的积极性和探索性有所改进，每次课后都有学生主动提出问题，这是CMOS电路理论教学针对智能专业学生教学的进步。因为以往课程中，计算机专业学生多会直接反馈听不懂，也没有兴趣再深究具体哪个电路知识听不懂。目前的方法使学生有问题就主动提，说明大部分听课的学生随着课堂讲解思考。

4.2 课程建设

本课程除了应用多手段的教学模式外，抛弃以往版书化的多媒体PPT课件，所有课件均采用动画的形式展现。举例：PN 结形成过程，图4使用动画表现PN结形成过程，学生就容易接受了。

此外，为了方便学生线下学习，课程网址不仅涵盖课件、习题讲解，还有课程调研主题和实验内容。针对有些学生做演讲不够专业的现象，设立正反例演讲制作规范，网站还会公开以往优秀调研来鼓励学生，达到良性循环。

5 结 语

作为计算机智能专业的限选课程，CMOS集成电路不仅是对专业核心课计算机组成原理和数字逻辑等课程的硬件实现，也是芯片设计以至当前热点AI芯片设计的基础。为了让智能专业的学生更主动有效学习，本课程采用小班讨论的方式让学生主动预习调研，课堂授课解答调研，实验课程验证理论等多种方式，跳出传统理论考试的误区，鼓励学生主动参与教学、积极思考、敢于探究。

图4 PN结的形成过程动画截图