模拟集成电路设计课程实验项目驱动式教学改革

刘海涛， 唐 枋， 林 智， 黄兴发， 甘 平

（1.重庆大学微电子与通信工程学院，重庆 400044；2.中国电子科技集团公司第24 研究所，重庆 400060）

0 引 言

集成电路产业是关系国民经济与社会发展的战略性、支柱性产业，对推动国家发展、经济建设、保障国家安全和提高人民生活水平起着至关重要的作用［1-3］。目前我国集成电路设计人才严重不足，要推动集成电路的发展，急需高校培养优秀的专业性人才［4］。模拟集成电路设计课程目标是培养学生掌握模拟集成电路的理论知识和分析计算方法，具备使用EDA软件进行电路和版图设计的能力。

目前，各高校模拟集成电路设计课程实验项目主要局限于简单电路仿真或对电路原理验证，体现核心芯片设计能力的独立功能电路设计、版图设计及后仿真、芯片流片等工程实践过程未涉及或较少涉及，无法涵盖集成电路设计全流程所需技能的培养［5-8］。学生对于实验目标认识抽象，造成学生的实践能力无法满足社会对集成电路设计人才的需求，与国家提倡的新工科背景下工程能力培养目标不一致。

针对目前存在的问题，改革模拟集成电路设计课程实验内容，以完成与企业合作的工程项目作为实验目标，围绕实验目标分解成由易及难的几个实验题目，分阶段、分步骤完成实验目标。该方案能通过实验有效培养学生的模拟集成电路全定制设计能力，有效推动模拟集成电路工程应用型人才培养模式改革。

本文以“带隙基准电压源芯片全定制设计实验为例”，阐述模拟集成电路设计实验课程项目驱动式教学改革实施内容和步骤。

1 教学改革内容实施和方案

1.1 确立实验目标

基于与中国电科第24 研究所合作的工程项目，结合学生实际情况，确定实验目标：采用台湾联华电子公司的商用UMC0.35μmBiCOMS 工艺，设计与电源和工艺无关、-20 ～85 ℃温漂小于20 μV/℃、输出电压1.24 V的带隙基准电压源，完成电路及版图设计，最后提交IC代工厂完成芯片流片。

经典的带隙基准是利用一个具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压相加，两者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，约为1.25 V［9］。本项目在分析各种带隙基准电压源的基础上［10-12］，提出带电流镜的带隙基准电压源电路结构，如图1 所示。其中A为运算放大器，M1～M3为PMOS管，Q1～Q3为PNP晶体管，R1、Rref为电阻。

图1 带隙基准电压源电路结构

该基准电压源利用晶体管的基极-发射极电压UBE的负温度特性，与2 个晶体管的UBE电压之差ΔUBE的正温度特性相互抵消，从而获得温度系数为零的基准输出电压

针对由于MOS 管阈值电压不同引起的偏差而导致输出基准电压精度的下降［13］，采用宽长比小的MOS管来降低。同时，采用长沟道器件减小沟道长度调制效应带来的影响。但长沟道器件寄生效应相对较大［14］，对于这种情况，可以通过用多个小尺寸器件代替长沟道器件。

1.2 设置实验题目

根据实验目标设置4 个难度和复杂度逐渐递增的实验题目。

实验1运算放大器电路设计。

运算放大器作为带隙基准源的核心器件，同时设计难度不太大，因此首先设计运算放大器。采用以电流镜为负载的差分输入两级运算放大器电路结构，运用密勒补偿改善电路的频率特性。在Cadence Virtuoso软件中设计电路原理图，如图2 所示。

图2 运算放大器电路图

完成电路原理图后，在10 Hz ～10 GHz 范围内前仿真DC扫描特性及AC频率特性。如未达到要求，则优化电路设计。

实验2运算放大器版图设计。

在任何一个版图设计中，最初的任务是版图布局。布局首先应尽可能与功能框图或电路图一致，然后根据模块的面积大小进行调整。举例来说，对于多级放大器的底层电路应该排在一行上，这样输入输出部分就位于模块两端，从而减小由于不可预见的反馈而引起的不稳定。参考版图如图3 所示。

图3 运算放大器版图

接下来，运行DRC（设计规则检查）、LVS（版图原理图对比）和PEX（寄生参数提取），并仿真，如未达到要求，则优化版图设计。

实验3带隙基准电压源电路设计。

调用实验2 所设计的运算放大器以及三极管、电阻、电容等基本元器件，设计带隙基准电压源电路，如图4 所示。

图4 带隙基准电压源电路

完成电路原理图后，建立检测电路进行DC 扫描分析，得到合适的r0=1.32 kΩ。在此参数下再通过DC扫描分析得到带隙基准的温度特性，如图5 所示。在-20 ～85 ℃温漂约为11 μV/℃，达到要求。如未达到实验要求，则优化电路设计。

图5 温度特性前仿真结果

实验4带隙基准电压源版图设计。

对照电路原理图，利用匹配要求对带隙基准中心的双极型晶体管匹配［15］。然后再利用之前实验学习到的布局布线方法进行总体布局，布局时要考虑MOS器件匹配的全套规则［16-17］。完成的参考版图如图6所示。接下来搭建测试电路，进行版图参数提取后的DC温度特性仿真，结果如图7 所示。在-20 ～85 ℃温漂19 μV/℃、输出电压1.24 V，达到实验要求。如前、后仿真差别太大或指标达不到要求，则对电路或版图进行优化。

图6 基准电压源参考版图

图7 温度特性后仿真结果

最后，还有一个非常重要的环节就是设计芯片的PAD，保证芯片流片后能正常工作。该步骤也是实现设计工程化的关键环节之一。最后总的版图如图8 所示，为保证MPW（多项目晶圆）顺利流片，芯片布局要尽量做到紧凑，总面积大小为400 μm×400 μm。

图8 添加PAD后的电路版图

1.3 芯片流片及测试分析

通过MPW 方式完成流片，成本仅为单独原型制造成本的5% ～10%，能极大地降低流片的费用。通过集成电路专业学生“一生一芯”计划的实施，提供了流片的基本费用。学生作品流片后的芯片实物显微照片，如图9 所示。

图9 学生作品流片后的芯片

2 实施效果

通过对流片回来的芯片裸片键合到测试PCB 板上，绑线键合后进行性能测试，并分析测试结果。学生通过观察到芯片实物并测试性能，对实验的认知更深刻，实验效果更显著。

通过改革方案的实施，培养的学生参与集成电路专业竞赛取得了优异的成绩，推免国内外知名高校、科研院所研究生效果显著，受到集成电路相关用人单位的青睐；同时，实验改革方案获得全国高校电子信息类专业课程实验教学案例设计竞赛全国一等奖和教学成果奖。实践成果证明方案是成功有效的。

3 结 语

为了更好发挥实验教学在培养学生工程实践能力和开拓创新思维的重要作用，在分析当今模拟集成电路设计课程实验教学的现状及存在的问题基础上，提出模拟集成电路设计课程实验项目驱动式教学改革思路，并以“带隙基准电压源芯片全定制设计实验”为例，详细阐述了课程实验项目驱动式教学改革实施方案。从实施效果可以看出，课程实验项目驱动式教学改革能加深学生对课程内容的理解，培养学生扎实的工程实践能力，响应国家对高校“新工科”建设的新要求。