面向工程应用的模拟集成电路课程实验教学改革与实践

      刘海涛，唐  枋，甘  平，林  智  

（重庆大学 微电子与通信工程学院，重庆，400030）

[摘  要]：对模拟集成电路课程的讲授不仅需要讲解扎实的理论知识，还需配套合理的实验环节。目前课程的实验环节存在实验题目和内容与教学环节结合不紧密、与工程实践结合不紧密，学生很难掌握电路及版图设计方法，因此很难取得较好的效果。在模拟集成电路课程中开展实验教学改革研究，以工程应用实践中应该掌握的全部技能为目标，采用项目化的实验教学方式，并在实验流程的多个步骤设置明确的考核内容。最后通过实践检验表明该实验教学改革取得了良好的成效。

[关键词]：模拟集成电路；工程应用；实验教学；改革；实践

[基金项目]：2019年度教育部产学合作项目“模拟集成电路的工程实践教学改革”（201902024012）；2020年度重庆大学教改项目“基于CCIO模式的模拟集成电路设计课程研究与实践”（2020027）。

[作者简介]：刘海涛（1975-），男，四川平昌人，博士，重庆大学微电子与通信工程学院副教授，主要从事集成电路与集成系统理论与实践教学；唐枋（1983-），男，汉族，重庆万州人，博士，重庆大学微电子与通信工程学院教授，主要从事定制集成电路研究；甘平（1974-），男，汉族，重庆北碚人，博士，重庆大学微电子与通信工程学院研究员级高工，主要从事数字集成电路研究。

[中图分类号]：TN386.1 [文献标识码]：A   

随着信息技术的发展，集成电路成为信息产业的基础。特别是近两年国际形势发生了重大变化，集成电路技术已经成为制约我国经济和社会发展的“卡脖子”工程。近年来，国家、地方对集成电路产业高度重视。多次出台关于“国家集成电路产业发展推进刚要”的文件，强调集成电路发展的重要性[1-3]。

模拟集成电路课程主要介绍模拟集成电路的设计流程、模拟集成电路基本单元、集成电路系统设计方法以及使用EDA工具实现电路设计的基础知识，是一门理论与实践相结合的集成电路设计入门课程[4-8]。课程主要使学生学习掌握系统的集成电路知识和使用EDA 工具进行电路分析与设计的能力。对它的讲授不仅需要扎实的理论基础，还需合理的实践环节配合，才能取得良好的教学效果。

模拟集成电路课程的实验教学具有其独特性[9-14], 主要体现在实验内容全部在EDA 环境下完成；EDA工具安装在Linux或UNIX 系统下；集成电路设计相关的EDA工具使用比较困难，并且价格昂贵；每个实验内容各不相同，但实验的流程基本相同。

目前的模拟集成电路课程的实验环节中，由于实验题目和内容与教学环节结合不紧密、与工程实践结合不紧密，学生很难掌握设计方法，尤其是版图设计，因此往往很难取得较好的效果。

1、改革具体措施

通过改革模拟集成电路课程实验环节的教学模式，采用项目化的实验教学方式，使学生掌握具有工程实践的集成电路分析与设计的方法，解决目前高校集成电路设计实验教学内容与社会工程实践脱节的不良现象，使学生在毕业时就掌握有一定的实际动手能力，进入社会后能尽快走向工作岗位，脱离目前的“学用分离”的现象。

1.1、突出实践，理论配合

传统的模拟集成电路课程实验教学环节以理论教育为主，学生对基础理论和设计规则非常熟悉，但实践动手能力不足，学生往往在毕业后进入集成电路设计企业还需花大量时间进行二次设计能力的培训，造成了人力资源的严重浪费。

这是由于我们没有清晰地认识模拟集成电路课程的性质，造成对它的讲授还是采取传统教育教学方式：老师讲，学生听，偏重理论，缺乏实验实践环节，影响到学生在工作中开展实际设计电路能力的发挥。

模拟集成电路课程是一门承接系统、电路、EDA技术、工艺的综合性课程，如果按照传统教育方式进行授课，课程的实践性和综合性无法得到体现，违背了课程自身具有的规律，教学效果不能满足工业界对于模拟集成电路工程实践的要求。

在反思了课程的本质特点后，采取了实践优先，理论配合的教学方法，具体内容如下：根据逻辑与电路功能性的要求设计电路、按照一定的工艺水平要求来设计用于光刻的掩膜图形，并实现芯片的最终设计输出。

我们首先讲授设计工具EDA软件的使用，让学生掌握EDA软件的每一个主要功能，从图形的选择、材料的配置，让学生从感性角度理解实际的电路和版图设计是如何进行的，每一步是如何使用EDA软件完成的，整个芯片版图设计过程的规则有哪些，学生在这个时候设计的版图可能不是很准确和完善，但是，学生对什么是版图和如何设计版图有一个初步的认识，建立起版图设计的基本概念，并为后续的课程奠定坚实的实践基础。此时，教师再详细进行版图设计理论知识的讲授，学生将能更深刻理解对应的工艺知识和半导体理论，真正实现了理论和实践的完美结合的教育理念，有利于学生能力的培养。

1.2、注重细节，加强引导

对模拟集成电路课程的传统教学方式，理论占大部分时间，学生知道电阻、电容、二极管、晶体管、场效应管等基本元器件的结构和工作原理，但是在设计的实际过程中，为什么采用这些元器件的电路形式，学生在内心中充满着疑惑和不解。

针对学生的疑惑，我们从工艺细节入手来解决这个问题。作为集成电路设计者，首先要熟悉工艺条件和器件物理，才能确定晶体管的具体尺寸、连线的宽度、间距、各次掩膜版的套刻精度等。

版图设计的规则也是由工艺来确定的，掌握了工艺也就掌握了版图设计的钥匙。我们将工艺文件的通用技术规则向学生进行逐条讲解，由通用元器件的设计规则归纳出它们的共性，包括最小长度、宽度、间距等参数，提醒学生要记忆。对比学习和研究不同芯片生产厂商的工艺，学生在学习这一系列设计规则的过程中，逐渐理解并熟悉了工艺规则文件的构成方式及学习要点，能够举一反三的在不同工艺规则下，设计同一种元器件的版图，即使电路元器件的数量巨大，电路拓扑关系复杂，在老师耐心的讲解下，学生也能够依据工艺规则设计出符合要求的版图，这都是在理解了工艺规则细节的基础上完成的。

所以，关注细节，加强引导，是提高学生学习效果的一个重要方法。

1.3、过程检查、结果考核

一个工程实践中全定制集成电路典型设计流程如图1所示，包括逻辑电路、晶体管级电路、版图设计等几个主要环节，具体包括原理图设计及仿真、版图设计及后仿真。具体包含晶体管级电路设计、设计规则检查DRC(Design Rule Check)、版图与电路原理图一致性比较LVS(Layout Versus Schematic)、寄生参数提取LPE ( Lay out Parasitic extraction) 和后仿真。

图1 全定制集成电路设计流程图

对于刚接触集成电路设计的本科生来讲, 这些步骤的操作具有一定的难度, 实验教学过程中,要确保实验教学的质量，必须建立明确的目标和考核内容。因此，我们把这些实验整体流程分别展开分解为一个个独立的实验流程步骤。最终, 我们得到一个直线型的集成电路设计实验流程, 同时每一步实验流程有相对应的考核内容。如图2所示。

图2 集成电路设计实验流程和考核内容

教师根据学生设计上传到服务器的不同设计环节打分，并且就每个项目的分数生成详细的报告，以能够对学生的成绩进行评审。通过查阅报告，学生可以了解到课程学习的不足和每一环节的实验得分，为下次提高设计成绩提供很好的参考。

在模拟集成电路课程中，将实验流程应用于多个实验的方法, 符合集成电路原理与设计课程的特点。这种多次重复的实验教学方式也能够不断促进学生对Linux 或UNIX操作系统的熟悉。最终,学生在掌握了这种设计方法和过程后,可以独立设计集成电路。

1.4、比赛练兵、实战演练

由于目前集成电路流片加工的费用很高, 动辄好几万元，本科生在集成电路设计实验教学中,设计流程中的流片这一步无法实现，另一方面又要对学生的实验训练符合工程实际的要求，因此采取接近实战化的实验内容显得非常重要。在实验教学过程中, 我们基于中电24所的0.18μm的CMOS工艺和0.35um的JFET-双极型工艺进行设计。学生设计的电路在条件允许的情况下完成流片后就是可用的芯片。这种基于实际工艺的设计缩小了设计和工艺之间的距离。

具体方法是：根据知识点，将模拟电路分成几类，并从每一类中提取出多种经典的电路，利用中国电子科技集团公司第24研究所的代工工艺，经验丰富的工程师们设计出对应电路的版图，作为电路模块单元放在服务器上供学生参考。在学生充分了解电路模块库单元的电路实例基础上，将一些实用的电路设计布置给学生，要求学生在规定的时间内设计出合格的版图，以此作为最终的考核评估。学生在学习课程期间，可以接触到不同芯片代工工艺、多种类不同结构的电路，这极大的促进了他们学习热情和时间感。

学生在设计过程中会遇到多种问题，他们会采取多种方式和手段加以解决，如向老师答疑、和同学讨论等，这既可以督促他们在课堂上认真上课听讲，而且多角度思考遇到的问题，最重要的是他们亲自动手设计电路时，综合考虑工艺、电路、器件等因素，在较短的时间内，集成电路设计能力将得到极大提高。

除了在日常的实验实践环节中进行集成电路项目设计之外，学生还积极参加集成电路专业的相关比赛，通过比赛体会一些具有挑战性的集成电路项目的设计，提高学生在实际场景下如何发挥设计能力和项目组织能力，为他们未来进入到职场中从事集成电路设计工作奠定坚实的专业能力和解决实际问题能力。

2、改革取得成效

通过模拟集成电路课程实验方法改革，学生的集成电路分析与设计能力、集成电路制造与工艺甚至于微电子技术相关的科目课程得到了提高，在各类竞赛、推免及报考研究生、毕业就业等方面都暂露头角。

推免研究生及考研成果明显，扎实的集成电路分析与设计专业基本功，使多个学生顺利通过笔试和面试，进入了清华大学、北京大学、中国科学院大学、东南大学、华中科技大学、中科大、电子科技大学等学校和科研单位，扩大了集成电路设计与集成系统专业的国内外影响力。

毕业学生就业专业对口率明显增加，毕业的学生受到了国内外相关用人单位的青睐和好评，众多学生毕业后进入了日本NEC公司、武汉烽火科技公式、中电集团24所、联华电子、国防科大计算机公司、华大九天集成电路公式等。

2019年参加全国大学生集成电路设计大赛，并获得西南赛区三等奖。2020年在集成电路创新创业大赛中获得全国总决赛一等奖1项、西南赛区二等奖1项。参加全国大学生电子竞赛和重庆市大学生电子竞赛，获奖全国一等奖1项、二等奖1项和重庆市奖多项。

3、结束语

从集成电路系统教学的需要出发，解决了目前模拟集成电路课程教学中存在的理论学习和实践动手分离、缺乏集成电路版图设计环节的教学问题，以集成电路设计工程应用实践中应该掌握的全部技能为目标，采用项目化的实验教学方式，将完整的全定制集成电路设计流程贯穿于集成电路设计课程实验中去，并在实验流程的每一步骤设置明确的考核内容。该改革方法经实践检验取得了初步的成效。

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Experimental teaching reform and practice of analog integrated circuit course for engineering application Liu Haitao, Tang Fang, Gan Ping, Lin Zhi

(School of microelectronics and communication engineering, Chongqing University, 400030)

Abstract：The teaching of analog integrated circuit needs not only solid theoretical knowledge, but also reasonable experiment. At present, there are some problems in the experiment of course of analog integrated circuit, such as the experiment topic and content are not closely combined with the theoretical teaching and engineering practice, so it is difficult for students to master the circuit and layout design method, so it is difficult to achieve good results. To carry out experimental teaching reform research in analog integrated circuit course, we should take all the skills that should be mastered in engineering application practice as the goal, adopt project-based experimental teaching method, and set clear assessment content in multiple steps of the experimental process. Finally, the practice result shows that the experimental teaching reform has achieved good result.

Key words: analog integrated circuit; engineering application; experiment teaching; reform; practice