“模拟集成电路”课程教学内容的探讨

2012-03-21谢德英

电气电子教学学报 2012年3期

粟涛，谢德英

(中山大学物理科学与工程技术学院，广东广州 510275)

由于“模拟集成电路”课程没有统一的教学大纲，如果开设此课需要自行确定教学内容。虽然目前我国出版了多种模拟集成电路教材［1-10］，但难以确定最佳的标准教材。本文提出采用CESA(Course Extracted from the State of Art)法选取教材，即直接从模拟集成电路研究的前沿现状，提取最重要和最基础的概念和方法，作为课程教学的内容，并解决了合理性问题。

1 CESA法的合理性和具体操作

笔者认为通过调研近年来模拟集成电路领域的科研文献来获得本课程的内容，是较为合理的。因为这是一门帮助学生进入一个行业从事生产实践和科学研究的后端专业课，其内容应该是近年成熟的知识总结。此外CESA法有具体的操作步骤，因此其过程可被重复。

CESA法的具体操作为:①寻找“模拟集成电路”术语的起源，并给予明确的定义;②从科研文献中筛选出与该术语相关的文献作为素材;③在素材中收集常见的概念，将概念划分为不同的种类后归类;④以这些概念为核心，补充必要的辅助知识，就可以构建本课程的内容。

CESA法的素材必须有较高的学术水平，并且应该覆盖当今模拟集成电路的各个重要专题。素材对各专题的覆盖，能反映当今世界对模拟集成电路各话题的关注度和参与度。IEEE国际固体电路会议ISSCC的论文集能够满足这些要求。本文选用了其2010年的大会论文集［11］中模拟集成电路的部分，共59篇作为素材。从素材中可以总结出554个概念。这些概念可以按照应用背景、信号噪声及其操作、电路类型、功能模块、单元电路、电路组分、电路工作条件、改良技术、制造工艺和仿真技术等门类进行分类和总结。经过整理和筛检之后，就构成本课的教学内容。

2 “模拟集成电路”课程方案

2.1 课程层次

由前面的分析可以看出，模拟集成电路包含大量的概念。企图通过一个学期的教学使学生掌握这些概念并不现实，应将其分成初级课和高级课两门课来讲。初级课讲述简单的、基础的和宽泛的概念，以及理解这些概念所需要的知识和方法。高级课讲述复杂的、先进的和细节的概念。

2.2 “初级模拟集成电路”课程内容

“初级模拟集成电路”首先对模拟集成电路进行定位。课程的主体部分介绍基本工艺、基本电路结构和基本性能。电路结构部分包括电路组成、单元电路和功能模块里比较基础的概念。在讲述电路结构的同时，会讲到关于信号和噪声的概念及其基本性能。为了验证理论并培养应用能力，课程还需开设实验项目，做实验需要学习使用软件和工艺文件。实验以素材中常见电路结构为原型，从最简单的元器件做起，逐步复杂化。具体安排见表1，共需48个学时。

2.3 “高级模拟集成电路”课程内容

“高级模拟集成电路”介绍简单的电路模块和复杂的电路模块、电路优化方法和实验部分。可以直接用文献素材作为案例讲述复杂电路模块的各种优化方案。讲完案例之后，就可以做项目设计。项目设计的课题就是素材里的各个复杂电路模块。学生做的项目设计与科研热点一致，具有实际应用意义，也能拉近教学和科研的距离。此外，学生还可以直接参考新近的科研文献来完成自己的设计，从这些文献中获得大量的信息和帮助。为了让学生能深入体会各设计的细节，只需先择一个项目完成即可。该课程的具体内容见表2，共需48个学时。

表1 “初级模拟集成电路”课程内容

表2 “高级模拟集成电路”课程内容

3 本文方案与已有教学方案的比较

2010年ISSCC会议模拟集成电路的相关分会场主席主要来自如下大学:柏林工业大学(柏林工大)、香港中文大学(香港中大)、香港科技大学(香港科大)、俄勒冈州立大学(俄州大学)和东京大学。上述五所大学中的四所，其“模拟集成电路”课程设置见表3［12-16］。因东京大学的网页上没有模拟集成电路教学信息，故表3中因此没有其信息［17］。将本文方案与这几所代表性大学相同课程的教学方案进行比较既可以从经验的角度印证本文方案的合理性，又可以显示出本文方案的特色。

表3 四所大学的模拟集成电路课程

(1)本文方案和柏林工业大学方案都按简单电路到复杂电路，再到较大设计项目的顺序对课程分级。本文方案初级电路的与“0433L603”都包含工艺、版图、器件、电流源、基准、放大器和设计软件。本文方案的高级电路与“0433L613”都包含高端放大器和数模，模数转换器。“0433L619”是一个较大型的实验设计，这与高级电路第16至20章的思路一致。但前者要求做出实物器件并测试。总的来说，本文方案比柏工大方案在知识面上介绍较多，在实践环节上简单一些。

(2)本文方案与香港中文大学方案也都将课程分级。该校“ELEG4260”介绍了数字和模拟两类集成电路，覆盖了本文方案初级电路里的工艺、版图、器件和简单放大器的内容。该课程的电流源、电压基准、滤波器、开关电容网络等内容被放在“ELEG5723”里，它的其他内容都被初级电路覆盖。但“初级电路”里的发生器、驱动电路、接收处理器没有在中大的课程里出现。“ELEG5723”的其他内容都被“初级电路”覆盖。香港中大在实验方面的情况未知。总的来说，本文方案比香港中大的在电路结构、仿真方面的覆盖面大一点，也深一点。

(3)香港科技大学方案也将课程进行了分级。“ELEC4410”包含了工艺、版图和器件的内容，“EESM5100”包含了输出驱动、电流源、放大器和一些单元电路的内容。“EESM5200”包含了滤波器、开关电容网络、采样保持电路等内容。本文方案但没有“EESM5200”还与“高级电路”一样都包含有乘法器、积分器、振荡器、锁相环、混频器和数模转换器。但“EESM5200”里没有发生器、驱动电路、高端放大器、电压转换器和探测器这些内容。

从上面的比较可知，本文将模拟集成电路分成初级和高级两门课程的做法是与代表性学校的做法一致的。本文方案包含这些代表性教学方案的所有重要概念。除了共同点，本文方案在结构、知识面和深度上又和其他学校的不同，具有自己的特色。

［1］拉扎维著，陈贵灿等译.模拟CMOS集成电路设计［M］.西安:西安交通大学出版社，2002

［2］Gray著，张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计(第四版)［M］.北京:高等教育出版社，2005

［3］桑森著，陈莹梅译.模拟集成电路设计精粹［M］:北京:清华大学出版社，2008

［4］贝克著，刘艳艳等译.CMOS电路设计、布局与仿真(第二版)［M］.北京:人民邮电出版社，2008

［5］何乐年等.模拟集成电路设计与仿真［M］.北京:科学出版社，2008

［6］池保勇.模拟集成电路与系统［M］.北京:清华大学出版社，2009

［7］魏廷存等.模拟CMOS集成电路设计［M］.北京:清华大学出版社，2010

［8］艾伦等著，冯军译.CMOS模拟集成电路设计(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2011

［9］吴建辉.CMOS模拟集成电路分析与设计(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2011

［10］洪志良.模拟集成电路分析与设计(第二版)［M］.北京:科学出版社，2011

［11］IEEE.Digest of Technical Papers of IEEE International Solid-State Circuits Conference［C］，1-520 页:IEEE，2010