導(dǎo)語(yǔ)：集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)改革探究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

驗(yàn)證模擬電子技術(shù)是一門(mén)所有電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課［1］，學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)可以掌握半導(dǎo)體物理器件、單級(jí)和多級(jí)放大電路、集成運(yùn)算器、穩(wěn)壓電源等知識(shí)，為后續(xù)微機(jī)原理應(yīng)用、單片機(jī)技術(shù)、高頻電子技術(shù)等專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)做好知識(shí)鋪墊［2］。然而，傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學(xué)以課本理論公式講授推導(dǎo)為主，以采用模擬實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔，具有物理概念抽象、分析方法復(fù)雜、動(dòng)手設(shè)計(jì)困難等特點(diǎn)［3］。因此，學(xué)生普遍反映該課程學(xué)習(xí)起來(lái)困難，考試通過(guò)率不高，學(xué)習(xí)興趣不足。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，集成電路行業(yè)已經(jīng)被視為與鋼鐵和石油工業(yè)同等重要的、具有戰(zhàn)略意義的國(guó)家命脈行業(yè)，其技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步、工業(yè)先進(jìn)、國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志［4］。特別是在“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”的新時(shí)代工科建設(shè)背景下［5］，如何培養(yǎng)出優(yōu)秀的適合集成電路行業(yè)需求的大學(xué)本科畢業(yè)生已經(jīng)成為了各本科院校亟待解決的問(wèn)題。為了培養(yǎng)學(xué)生的集成電路設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生對(duì)于電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同度和興趣感，本文探究了一種面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革方法，使用Cadence和HSPICE仿真軟件對(duì)模擬電子技術(shù)課本中的典型電路進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而驗(yàn)證其理論的正確性。

1傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)教學(xué)

1．1傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)理論教學(xué)模式。傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)采用教師課堂知識(shí)灌輸形式，即教師通過(guò)板書(shū)和PPT的方式在課堂上給學(xué)生講授推導(dǎo)書(shū)本中的理論公式，通過(guò)已學(xué)的知識(shí)來(lái)推導(dǎo)和驗(yàn)證新的理論和公式［6］。例如在學(xué)習(xí)第二章“基本放大電路”時(shí)，教師是通過(guò)圖解法和微變等效電路法來(lái)推導(dǎo)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和交流電壓增壓。圖1為采用圖解法求解的單管共射電路，圖中通過(guò)虛線(xiàn)把晶體管和外圍電路分開(kāi)，當(dāng)輸入信號(hào)ΔUI為0時(shí)，在晶體管的輸入回路中既應(yīng)該滿(mǎn)足輸入特性曲線(xiàn)，又應(yīng)滿(mǎn)足外圍電路參數(shù)，因此:UBE=VBB－iBRb(1)圖2為單管共射電路的輸入特性曲線(xiàn)，由1式可以確定圖中的輸入回路負(fù)載線(xiàn)，其中斜率為-1/Rb，輸入回路負(fù)載線(xiàn)與輸入特向曲線(xiàn)的交點(diǎn)Q就是電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖3為單管共射電路的輸出特性曲線(xiàn)，與輸入回路一樣，在輸出特性曲線(xiàn)中靜態(tài)工作點(diǎn)既應(yīng)在IB=IBQ曲線(xiàn)上，又應(yīng)滿(mǎn)足外圍電路特性:UCE=VCC－iCRC(2)由2式可以確定圖3中的負(fù)載線(xiàn)，其中負(fù)載線(xiàn)的斜率為-1/RC，IB=IBQ與輸出特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q，其縱坐標(biāo)值為ICQ，橫坐標(biāo)值為UCEQ。通過(guò)圖解法可以求出單管共射電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，采用微變等效電路法可以求解電路的H參數(shù)，計(jì)算電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻等［7］。同樣，集成運(yùn)算放大電路、放大電路的頻率響應(yīng)、波形的發(fā)生和信號(hào)轉(zhuǎn)換等章節(jié)都是采用傳統(tǒng)的公式推導(dǎo)法來(lái)向?qū)W生講解的。傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)雖然可以使學(xué)生掌握課本中的基本概念和定理，但是繁雜的64物理概念以及抽象的公式推導(dǎo)過(guò)程往往讓學(xué)生感覺(jué)到入門(mén)難、理解難、掌握難，僅僅依靠課堂理論灌輸?shù)慕虒W(xué)模式就成為了一種“空對(duì)空”的教學(xué)模式［8］。1．2傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采用模擬實(shí)驗(yàn)箱或模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)模式，即學(xué)生通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)插針在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)上連接各種電子元器件或模塊來(lái)搭建模擬電路的方式［9］。傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式雖然可以通過(guò)現(xiàn)有的模擬實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)驗(yàn)證課本理論，較為靈活的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單模擬電路。但是，傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在諸多缺點(diǎn):(1)傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)一般采用導(dǎo)線(xiàn)插針?lè)绞?，在?shí)驗(yàn)過(guò)程中容易發(fā)生插針折斷堵塞插孔情況，影響設(shè)備德正常使用。(2)隨著機(jī)箱設(shè)備的老化，設(shè)備內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)或底座虛斷、接觸不良等情況，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失真。(3)由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)采用模塊集成方式，一般只包含了課內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)K，難以激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。

2面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)教學(xué)

2．1面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)理論教學(xué)模式。面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)在理論教學(xué)上采用“工程向?qū)Хā钡慕虒W(xué)思路，首先由教師結(jié)合生活實(shí)例提出一個(gè)具體的工程問(wèn)題，讓學(xué)生知道所學(xué)知識(shí)可以使用到日常生活中去，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。然后教師采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，通過(guò)課堂講授向?qū)W生傳輸工程項(xiàng)目所需的理論知識(shí)和定理，與傳統(tǒng)理論課堂教學(xué)模式相比，面向集成電路設(shè)計(jì)的課堂理論教學(xué)在知識(shí)點(diǎn)講授上按照“知識(shí)鏈”模式，即教師在教學(xué)內(nèi)容安排上不再按照傳統(tǒng)知識(shí)章節(jié)的順序，而是以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向，把做工程項(xiàng)目所需的知識(shí)點(diǎn)串在一起講解。以設(shè)計(jì)“集成運(yùn)算放大器”為例，集成運(yùn)算放大器一般包括:偏置電流產(chǎn)生電路、差分輸入放大電路、中間放大電路、功率放大電路四部分模塊電路組成［10］。因此教師在課程內(nèi)容安排上首先講解偏置電流產(chǎn)生電路和電流復(fù)制電路，可以通過(guò)電流鏡和微電流源的工作原理來(lái)講解。然后講解差分輸入放大電路，通過(guò)差分輸入放大電路的電路結(jié)構(gòu)以及如何提高電路的共模抑制比為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行講解。接著講解單級(jí)放大電路和多級(jí)放大電路的電壓放大原理，最后講解功率放大電路，主要向?qū)W生講解功率放大電路如何提高電路的帶負(fù)載能力。這樣學(xué)生具備了基礎(chǔ)知識(shí)之后就可以動(dòng)手設(shè)計(jì)運(yùn)算放大電路。在向?qū)W生講解設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目所需的基礎(chǔ)知識(shí)之后，教師再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模擬集成電路所用到的EDA(ElectronicDesignAutomation)軟件，這里以在模擬集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)被廣泛使用的EDA軟件Cadence和HSPICE為例。由于Cadence是在Linux操作環(huán)境下運(yùn)行的，因此教師首先給學(xué)生講授簡(jiǎn)單的Linux操作環(huán)境和基礎(chǔ)指令，使學(xué)生能夠初步掌握Cadence的運(yùn)行方法，接著教師引導(dǎo)學(xué)生在Cadence中進(jìn)行工程項(xiàng)目的原理圖設(shè)計(jì)，最后使用Cadence把所設(shè)計(jì)的電路網(wǎng)表文件導(dǎo)入到HSPICE軟件中進(jìn)行參數(shù)仿真。使用HSPICE可以對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析以及蒙特卡羅最壞情況分析等。2．2面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用“教師引導(dǎo)，學(xué)生開(kāi)放設(shè)計(jì)”的教學(xué)模式。教師以“大作業(yè)”形式每學(xué)期給學(xué)生布置5～6道實(shí)驗(yàn)課題，制定好項(xiàng)目參數(shù)。學(xué)生課下搜集項(xiàng)目資料，自主設(shè)計(jì)電路架構(gòu)并且進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后提交項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)報(bào)告。通過(guò)學(xué)生設(shè)計(jì)的電路參數(shù)是否達(dá)標(biāo)以及結(jié)項(xiàng)報(bào)告的內(nèi)容完整性給成合理的評(píng)判成績(jī)。圖5為指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)的基于CMOS工藝庫(kù)的運(yùn)算放大器原理圖，共分為三級(jí):偏置電流產(chǎn)生電路、輸入級(jí)差分放大電路、中間級(jí)放大電路。學(xué)生把原理圖輸入到Cadence中可以生成電路參數(shù)網(wǎng)表，再使用HSPICE仿真軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。最終可以仿真電路的開(kāi)環(huán)增益、輸入共模抑制比、電源抑制比等參數(shù)。

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革，分別對(duì)傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)的理論教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，探究了基于“工程導(dǎo)向法”和“大作業(yè)”形式的新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，使用集成電路業(yè)界被廣泛使用的Cadence和HSPICE作為設(shè)計(jì)和仿真工具進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過(guò)該教學(xué)改革探究，可以幫助學(xué)生更加深入的理解和掌握模擬電子技術(shù)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和集成電路設(shè)計(jì)能力，為今后從事模擬集成電路設(shè)計(jì)或制造打牢基礎(chǔ)。

作者:李宏杰 段德功 常盛華 單位:安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院