集成电路设计课程实验内容的探索

2013-09-27吴伟力

集美大学学报（教育科学版） 2013年3期

唐凯，吴伟力

(集美大学信息工程学院，福建厦门 361021)

数字集成电路设计与模拟集成电路设计是多学科交叉的课程，进行集成电路设计所需要的知识与技术跨越了多个领域。同时，随着集成电路工艺与设计技术的发展，集成电路的设计现今已经进入到SOC片上系统的时代，系统的集成规模越来越大，集成电路的设计的能力也越来越多地集中于工程而非理论，所以高校所培养的集成电路设计专业的学生就需要有运用所学学科基础知识解决实际问题的能力。

虽然同为集成电路设计，但是模拟集成电路设计与数字集成电路设计有着相当大的区别，模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。模拟集成电路的主要构成电路有:放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。与之对应的数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。模拟集成电路主要是通过有经验的设计师进行手动的参数调整，电路调试、模拟而得到，而数字集成电路设计大部分都是通过使用硬件描述语言在EDA软件中自动综合产生。所以，针对不同的设计方向，需要设计与之相适应的实验内容。

由于集成电路设计在集美大学是新开设的专业，即电子与科学技术专业。之前没有任何相关专业课程的开设，实验内容更是一片空白，所以设计的实验项目都是在零基础的情况下自主设计，这也正是笔者此文的意义所在。笔者针对模拟与数字集成电路设计的不同点，分别设计了不同的实验项目，实验项目均在Cadence软件下完成，Cadence的软件作为业界最流行的软件，更多地被集成电路设计公司所接受。学生通过完成这些实验，可以更好地掌握集成电路设计的流程和EDA软件的使用，同时也有利于为社会培养有实际工作能力的微电子专业人才。

一数字集成电路设计实验项目

图1 设计环境

数字集成电路设计是集成电路专业的一门专业必修课，它是在数字电路和半导体物理与器件等前期课程的基础上，基于MOS器件的物理特性，对数字电路进行分析和设计。该门课程以学习完整的系统级芯片设计流程为目的，让学生从业界实际制造芯片的角度学习和掌握系统芯片的设计流程以及制造及测试的方法。以此为目的，实验课程安排了16学时，共7次实验，实验内容参见表1。

由于集成电路设计的主流工具都是面向Unix/Linux操作系统的。但考虑到软硬件方面的限制以及使用的方便性，实验课在安装和配置设计环境时，并没有直接在硬盘安装Linux操作系统，而是采取了虚拟机的方式，如图1所示，Linux操作系统则采用了CentOS系统。实验由简到繁，从熟悉操作系统和开发软件开始，首先设计一个基本的CMOS反相器门电路，然后完成反相器的版图，在此基础上，练习如何对版图进行设计规则检查(DRC)和版图与原理图一致性检查 (LVS)，接着基于所设计的反相器，设计一个一位全加器，再对一位全加器的版图参数就行提取和后仿真，最后一次实验是综合实验，在基于VHDL描述语言的基础之上学习如何在EDA软件下自动综合逻辑电路。

表1 数字集成电路设计实验项目

从实验项目的安排来看，各个实验之间是彼此关联的，由简入繁，每个实验的难易程度也适中，学生基本可在两学时内完成。通过实际的课程实践，在完成了所安排的实验课程后，学生基本可以掌握数字集成电路的设计流程，并能独立的完成一些小规模的电路设计，达到了实验课程的设计目的。

图2 学生独立完成的一位全加器版图

数字集成电路设计是一门贴近新技术的课程，跟踪当前最新的设计方法和手段，适应用人单位对人才的需求同时结合本校的实际教学条件是该门课程的基本教学指导方向。当今的数字集成电路设计越来越多的向VLSI设计及SOC方向发展，这就预示着数字集成电路设计将更多地依靠EDA软件来完成。学生掌握EDA软件的使用方法将会在就业时拥有较大的优势，这也将成为我们今后实验改革的发展方向。

二模拟集成电路设计实验项目

与数字集成电路设计不同，模拟集成电路设计理论性更强，设计过程中涉及到大量的理论概念，如果想仅仅通过一个学期的教学就想让学生掌握这些概念并不现实，所以现阶段的模拟集成电路设计课程并没有涉及到复杂电路模块的设计。课程主体部分介绍基本工艺、基本电路结构和基本性能。其中电路结构部分主要包括电路的组成、单元电路和功能模块里面比较基础的一些概念。为了验证这些理论，同时能够培养学生的应用能力，实验内容的安排就显得较为重要。

同数字集成电路设计实验相同，模拟集成电路设计实验设计为7次实验，16学时，如表2所示。实验内容以设计为主导，每次实验均以设计指定指标的一款放大器为目的，实验过程中涉及到放大器的功能和性能参数的计算，单管放大器、差分放大器、套筒式放大器、两级运放、电流镜、反馈和补偿等基本放大器的知识。仿真工艺库则涉及到元器件的类型、元器件的数学模型、工艺库的使用方法等。仿真方法则运用了软件使用、直流仿真、频域仿真、时域仿真、噪声仿真、工艺不确定性仿真及反对仿真过程的控制等等。综合来看，所设计的实验内容是十分全面的，通过实际的实验课程训练，也达到了预计的目标。尤其是最后四学时的实验七，套筒式放大器设计 (参见图3所示)，能够全面考察学生所学知识的运用能力，对于本科阶段的集成电路设计能力来说，难度也适中，该实验的完成，可以初步帮助学生掌握运用EDA工具进行模拟集成电路设计的能力。