“数模混合集成电路”课程研究生教学实践研究

2014-08-15李晋文曹跃胜

电气电子教学学报 2014年6期

李晋文，曹跃胜，郭阳

(国防科技大学计算机学院，湖南长沙410073)

0 引言

近年来，我国的集成电路产业得到了迅速发展，在一些产业方向和应用领域内取得了突破性进展。然而不难发现，这些进展和突破主要集中在数字集成电路方面。我国在模拟及数模混合集成电路方面，包括设计能力和制造工艺上都与国际上先进水平有较大差距。因此，培养合格、优秀和具有创新精神的模拟与数模混合集成电路设计人才一直是我们面临的艰巨而迫切的任务。

2003年以来，国家出台了一系列鼓励政策推动了相关高校采取有力的举措确实培养了一大批集成电路设计人才[1]。然而，除少数高校、研究所和企业之外，模拟和数模混合集成电路的设计水平和能力都还是主要的技术软肋;在大多数高校，“数模混合集成电路”课程也是教学软肋之一。

结合多年的教学实践经验，本文针对“数模混合集成电路”课程的一些特点，提出在教学内容方面以模拟为中心，注意兼顾深度和广度等原则;在教学方法上，采取教学对象细分，理论结合工程实践以及分析与设计并重等思路，取得了良好的教学效果和课堂评价。

1 课程体系与设置

在国内主要综合性大学，电子科学与技术学科的硕士研究生课程体系中，绝大部分都开设了数字集成电路设计方面的课程，其中大约60%左右的高校开设了模拟集成电路设计方面的课程，只有少数高校开设了“模拟与数模混合集成电路设计”，也有极少数高校将其细分为“模拟集成电路设计”、“数模混合集成电路设计”和“模拟集成电路设计实践”三门课。

根据大多数研究所和企业的市场需求，以及研究生毕业后实际工作的情况，大部分做数字，小部分做模拟是比较正常稳定的状况。因此，对于大多数高校专业课程设置，开设“数模混合集成电路”课程，以模拟集成电路为主要教学内容，兼顾数模混合集成电路内容，应该是比较合适的。

2 教学内容优化

2.1 兼顾深度和广度

模拟和数模混合集成电路方面的教学内容中，知识点多，即深又广，从底层的基本器件物理基础，到基本的多种形态单级和多级放大器、电压电流基准、滤波器、开关电容网络、有源和无源电流镜，再到比较复杂的运放、比较器、锁相环、振荡器和混频器，更复杂的有数模/模数转换以及并串变换(SerDes)等数模混合集成电路。而深度和广度是矛盾的，在有限的教学时间内兼顾教学内容的深度和广度，难度确实比较大。

本文的解决思路是:教学内容尽可能注意宽广一些，只在局部几个关键知识点上，进行比较深入的讲授。具体办法是选择经典国外教材作为主教材，比如文献[2]，并推荐其它几本书作为辅助教材，比如文献[3]和[4]，再推荐文献[5]和[6]作为补充教材。模拟集成电路的主要内容，从基本的器件原理到复杂的模拟和数模混合集成电路如PLL、ADC甚至SerDes等，在教学中都讲授到，避免学生知识面过窄。另一方面，选取几个关键知识点，包括放大器的分析与设计、负反馈的分析与设计以及放大器的频率特性，设立专题研究，加强深度，从电路设计到电路图仿真以及版图设计的综合实验，提高学生的参与度和实际动手能力，避免学生仅仅浮在面上，对模拟电路设计的认识不够深刻。

2.2 以模拟电路为中心

考虑到在微电子学科硕士研究生课程体系设置中已经有比较多的数字相关课程，而且数模混合集成电路的难点主要是在模拟部分，因此虽然课程名字设置为“数模混合集成电路”，实际在教学内容的选择上，仍然坚持以模拟电路为中心。我们应该注意专门讲授几个重点问题:模拟与数字电路的分析与设计方法差异;模拟与数字电路工艺和版图的差异;数模混合与纯数字和纯模拟集成电路在设计方法、工艺及版图方面的差异。

2.3 兼顾CMOS与非CMOS工艺

近年来，由于成本方面的优势，模拟集成电路越来越多地使用了CMOS工艺，甚至在越来越多的经典教科书，比如文献[2]的标题都加上了“CMOS”作为限定词，只介绍基于CMOS工艺的模拟电路设计。事实上，在实际教学中只讲CMOS工艺是不合理也是不完备的，会导致部分学生不了解更多的模拟集成电路仍然并将继续使用双极型、BiCMOS和砷化镓和锗硅等多种工艺，而且这些工艺有着很多CMOS无法比拟和超越的特点和性能，在分析和设计方法上也有着不同之处。因此，在坚持以CMOS工艺为中心，补充其它工艺，并进行横向比较，无疑是有益的。

2.4 注重衔接与层次提升

需要注意的是，绝大多数的微电子学科硕士研究生，在本科阶段或多或少地都会学习模拟电路课程，比如经典教材[7]，他们大部分都是具备一定模拟电路基础的。在教学内容的选择上，需要注意与本科相关内容的继承与衔接。本科阶段主要以双极工艺为主，而研究生以CMOS为主。实际教学中发现，以并列比较法进行衔接和过渡的效果会比较好。

另外一方面，也要注意与本科层次模拟电路课程的区分与提升。一是要强调课程内容的深度。可以考虑参照某些国外高校，将课程分为“初级数模混合集成电路”和“高级数模混合集成电路”两个层次[8，9];二是要扩展教学内容的广度;三是要加强实践性课程实验在研究生教学中的地位和所占比例，强化综合实验设计的作用;四是在教学中，结合每年IEEE国际固体电路会议—ISSCC上的文章，介绍国外模拟集成电路方面的热点和最新进展，做一些专题讲座;介绍我校相关科研项目的背景情况，提升研究生对课程的兴趣和热情，提高研究性学习的能力。

3 教学方法优化

3.1 教学对象细分

我校研究生的来源不同，本科阶段的专业也不尽相同，有电子类专业，有计算机专业，也有控制类专业，甚至还有数学物理类专业，在模拟包括数字电路方面的基础有较大差别。

我们为此在实际教学中，采用细分教学对象的方法。具体作法是，在第一次上课时对选课研究生的基本情况进行摸底，包括本科学校及专业，本科模拟课程开设情况，研究生专业、类型和修课课目，以及硕士阶段是否拟选择混合集成电路设计作为研究方向等。然后对摸底情况进行统计和分类，并据此适当调整部分课程内容。在实际教学过程中，在以大多数教学对象为主要教学目标的同时，综合兼顾各种不同情况的教学对象。在课程设计和综合实验上，采取过两种策略，一是按学生类型分组，不同类型的组分配不同难度的题目;二是所有的组分配相同难度的题目，将不同类型的学生进行混编分组，基础好的带基础差的，实现互相学习共同进步。

3.2 EDA结合工程实践

EDA仿真和设计软件在实际的模拟集成电路工程中具有十分重要的作用。在实际教学中，将EDA仿真软件引入课堂教学，加强学生对模拟电路基本概念的感性和直观认识，使用EDA软件仿真验证理论推导;增加物理设计专题课，结合EDA仿真、物理设计和验证软件，讲授数模混合集成电路的仿真设计和验证流程;在课程设计和综合实验中，结合工程实践，让每个学生实际动手使用仿真和设计软件实现一个小的电路模块。

另一方面，我们也注意到，近年来在工业界甚至学术界都存在对于EDA仿真软件过于依赖的趋势，不少学生和工程技术人员甚至想完全由EDA软件代替理论推导和人的思考，实际上是不科学的。因此，在强化EDA仿真软件训练的同时，要求学生坚持进行手工推导，强调EDA仿真软件的主要功能是验证人的设计思想。

3.3 MOOC 的探索

大规模开放在线课程MOOC的理念是借助于网络信息技术提供优质教育资源，已成为美国高等教育界最热门的话题。MOOC与国内多年前流行过的电视广播教育和现代远程教育有什么本质的区别，这值得大家仔细对比研究和深入思考。

“数模混合集成电路”课程在借鉴MOOC这些方面的优点进行了一些尝试。一是以“短课程+交互式练习”为基本教学单元的知识点组织模式和学习模式，根据“数模混合集成电路”课程的内容，设计了“多级放大器”、“负反馈”和“模拟电路版图设计”几个典型的MOOC实例，实际尝试表明，短小精炼的教学单元有助于学生保持课堂注意力，提高教学效果，强化知识点的掌握。二是“基于学习的个性化教学”，根据每个学生的课堂反应和反馈，包括作业、课程设计及综合实验的情况，为每个学生设立学习情况数据库，从中提取教学效果评价，综合调整“数模混合集成电路”教学内容，定制个性化的练习、作业和思考题，尝试实现因材施教。