《模拟集成电路》课程教学内容及教学方法探析

段志奎，王昕

（佛山科学技术学院电子信息工程学院，广东佛山 528225）

集成电路是新一代信息技术的核心支撑，是我国“十四五”规划中与新一代人工智能、量子信息、脑科学、基因与生物、临床医学与健康、深空深地深海和极地探测并列的七大科技前沿领域之一。模拟集成电路是集成电路的重要研究领域之一，是现实世界与数字世界的桥梁，是各类信息采集与处理芯片的核心电路，也是从事微电子与集成电路相关工作的必备基础。

在国家大力发展半导体与集成电路产业背景下，很多高校相继开设集成电路相关课程，其中《模拟集成电路》是必修课程之一。虽然该课程在不同高校和不同专业的教学学时和内容方面略有不同，但是教学内容总体上主要包括半导体器件、晶体管原理、运算放大器原理与设计、频率响应、稳定性与频率补偿、噪声、反馈、振荡器、工艺与版图等内容[1,2,3]。教学目的是通过课程教学，使学生具备基本的集成电路设计、版图设计、仿真验证等基础知识和技能[4,5]，了解集成电路设计、芯片制造工艺、流片、封测等环节，能够适应集成电路领域用人单位的实际需求。根据广东省集成电路产业发展现状，结合专业学生学情特点，笔者对该课程的教学内容和方法进行探索与讨论。

1 教学内容探析

《模拟集成电路》课程涵盖半导体器件、电路原理、芯片版图等知识，是理论与设计实践结合性很强的课程[6-8]。国内高校开设的《模拟集成电路》课程与学生未来的就业岗位、企业需求相结合[9,10]，在规划、设计教学内容时，将半导体器件与版图设计相结合、电路仿真与版图后仿真相结合、电路设计与芯片可测性相结合，体现芯片设计的实践性，提高学生对芯片设计、仿真、验证、流片、封装、测试等环节的整体认识，为后续课程开展打好基础。在具体知识内容上，目前普遍选用拉扎维、艾伦或格雷等编著的国内外经典书籍作为教材。教学时从半导体器件的物理结构、晶体管V-I特性入手，继而由单一器件到单级放大器，由单级放大器到差分放大器、多级放大器、振荡器、带隙基准，进而介绍频率特性、噪声、反馈、稳定性与补偿等知识，在知识体系与结构上较为合理。模拟集成电路主要包括时钟类电路、电源类电路、信号处理类电路，其中放大器在三类电路中应用最为广泛。以信号处理类电路为例，其核心思想是对信号进行多次迭代的滤波与放大。因此在实际教学过程中，放大器是重点，是最常用的电路。其设计与分析涉及晶体管尺寸参数调节、电路增益、带宽、反馈、补偿、功耗、版图对称等电路设计所要考虑的核心问题。此外还涉及电路设计软件、仿真软件、版图软件等虚拟设计平台的使用与实践。可以说通过放大器的教学，可以将模拟电路课程中的绝大部分知识关联起来，打破章节与知识点孤岛。

在教学过程中，需要教师根据本地产业布局特点[11]，对集成电路应用方面进行适当扩展。例如大湾区电子信息产业链条在广州、深圳、佛山、东莞、珠海、中山等城市的布局特点，对芯片设计、流片、封装、测试，芯片模组，电子产品进行延展，从应用需求反向推导芯片功能与性能、芯片中模拟电路的功能与参数，最后回到课程教学中的电路分析与设计，形成知识闭环、逻辑闭环、应用闭环，提高学生课程学习的目的性，实现学生学之所用。

2 教学方法探析

2.1 理论教学

目前高校教学设备信息水平已显著提高，多媒体设备足以支撑动画、视频等教学手段。在利用多媒体展示半导体器件和集成电路物理结构和特性的同时，还可以借助云服务器构建模拟集成电路设计与仿真平台。线下授课向学生讲解电路分析及其参数指标的同时，通过云平台现场进行电路仿真与验证。根据课程知识点，采用不同电路形式进行讲解与分析，实现线下理论讲解、课上动画PPT演示、云平台设计与仿真实践，使学生能够高效理解与掌握知识点，并掌握相应的电路设计与仿真方法。例如讲授运算放大器内容时，可从放大器增益和相位裕度的理论推导入手，讲解每个晶体管对增益的影响、晶体管参数对增益的影响，增益表达式中对应的参数是什么；相位裕度对电路稳定性的决定作用、电路中零点与极点对相位裕度的影响、零点/极点受哪些电路器件的影响、如何调整零点/极点等。通过PPT动画展示电流在差分情况下对输出级的推挽效果，进而分析电路响应速度与功耗之间的关系，以及在版图设计时要考虑器件的对称性布局、如何通过版图设计降低电源噪声等；最后通过云平台对运算放大器电路进行仿真，验证某一器件参数变化引起电路各种性能指标的改变。通过上述多种手段，改变传统理论教学枯燥无趣的上课体验，提高学生对知识点的理解和掌握程度。

2.2 芯片案例教学

理论教学中的芯片案例教学具有很强的实践性和参与性，同时也能将所讲授的模拟电路与现实芯片进行关联与验证[12]。例如选取合适的运算放大器芯片或者锁相环芯片，将模拟电路分析与仿真等理论知识与现实芯片测试进行对比，经过分组讨论，将抽象的电路功能、性能参数等方面的教学内容赋予现实应用意义，并以芯片应用和实测的形式印证理论教学中的内容。以放大器芯片为例，挑选一款芯片，采用信号发生器和示波器等设备，通过分组测试放大器，分析与验证集成电路的频率响应、带宽等参数；通过级联放大器、形成负反馈电路结构，分析电路的增益和带宽变化等。通过芯片案例分析将电路理论分析、仿真验证、芯片产品、芯片模组、应用设备串联起来，做到教学与现实相统一。

从教学目标和能力培养方面看，这样的案例式互动教学能够促使学生从解决现实问题的角度来重新认识模拟集成电路的重要作用，使学生从被动的课堂教学受众转变为以知识去解决问题的“工程师”，加深对模拟电路教学内容的理解。从素质教学目标来看，可以提高学生认识、学习、分析、解决问题的能力，促进学生能力的螺旋式上升。

2.3 《模拟集成电路》实践教学

模拟集成电路是芯片的重要组成部分，模拟集成电路工程师也是芯片相关企业亟需的人才之一。培养学生的实践能力是集成电路专业的教学目标。理论教学和案例教学中的主动方是教师，学生是参与方和受众方。而在实践教学环节中，学生成为主动方，教师转变为协助方。通过设置难度渐升的课程实践题目，如基于某一CMOS工艺进行nMOS/pMOS管V-I特性曲线仿真、nMOS与pMOS管匹配、反相器电路“输入-输出”特性调试、上升沿与下降沿的优化、单级放大器设计、差分放大器设计、密勒补偿设计、多级放大器补偿、版图匹配设计等小课题，结合理论教学和案例教学，可快速提高学生学习能力、分析能力、电路设计能力。实现学生“理论学习-案例分析-实践设计-反馈不足-深化理解-理论学习”的知识与能力闭环提高[13,14]。同时针对实践教学中的问题，及时反馈与总结，不断完善理论教学与案例教学，实现教师在“理论教学-案例教学-实践教学”中的闭环提高。

此外，在实践教学过程中，还需注意开展集成电路实践平台的培训。集成电路设计实践需要一定的设备、场地和软件环境；特别是软件环境涉及Linux、Cadence、Hspice等系统与软件，需要教师向学生提供基本操作和语法方面的入门讲解[6,10]。以Cadence软件为例，在进行电路设计时，需要基于工艺厂商的芯片设计套件（如中兴国际SMIC或台积电TSMC），调用所需的元器件进行电路图设计并修改器件参数。完成电路图初始设计后，需进行电路仿真并调整器件参数，使得电路整体参数达到设计预期。完成电路级设计与仿真后，以电路图为蓝本，进行电路版图设计，并对寄生参数抽取进行仿真验证。

上述软件是集成电路设计不可缺少的工具，也是开展其他集成电路相关课程学习的必备软件。这一教学过程需要进行软件培训、在线交流与学生实践。在当前网络教学快速发展的条件下，这部分学习内容可以通过录制软件使用方法视频的方式，让学生在课余时间进行自学。学生通过观看教学视频，避免传统课堂教学中各学生学习进度不一致的弊端，根据个人理解快慢自行调整学习进度，提高学习效率。

3 结语

集成电路是我国战略新兴产业之一，并已上升为国家战略，它的发展离不开专业人才。2020年7月，国务院学位委员会投票通过集成电路专业作为一级学科，将从电子科学与技术一级学科中独立出来的提案。这些举措有助于缓解集成电路产业人才供需的缺口问题。专业人才培养需要建立科学合理的课程培养方案。《模拟集成电路》是该专业的核心课程之一，在教学内容中需要将半导体材料、器件、电路、版图等相关知识进行有机融合，形成独具特色的专业课程。在案例教学中，既强调理论理解与掌握，又重视学生针对具体问题的分析与真实芯片的使用。在实践教学过程中，侧重锻炼学生对软件平台的自学能力，同时强化学生对理论知识理解与现实应用的融合能力、动手实践能力。通过对课程教学各个环节的精心设计，采用多种教学手段提高学生的学习兴趣，让学生能够掌握基础知识，通过芯片案例分析强化理论基础，最后实现自行设计电路、消化吸收课程精华、提高学习能力与实践能力。