面向集成電路設(shè)計(jì)的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革探究

摘要：為了培養(yǎng)學(xué)生集成電路設(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，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)模擬電路課本中的典型電路進(jìn)行物理建模和仿真分析，進(jìn)而驗(yàn)證課本理論的正確性。通過(guò)該教學(xué)改革探究，幫助學(xué)生更加深入的理解和認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體器件和模擬電子電路，為今后從事模擬集成芯片設(shè)計(jì)和制造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：集成電路設(shè)計(jì);模擬電子技術(shù);教學(xué)改革;仿真分析驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on the teaching reform

of analog electronic technique to design integrated circuit

Li? HongjieDuan DegongChang Shenghua

College of Electronic Information and Electrical Engineering，Anyang Institute of TechnologyHenanAnyang455000

Abstract：In order to train the design ability of students' integrated circuit and to enhance students' recognition and interest in electronic science and technology，This paper explores a teaching reform method of analog electronic technology base on integrated circuit designing.Cadence and HSPICE simulation software were used to conduct physical model and simulation analysis of typical circuits in analog circuit textbook.Through the exploration of the teaching reform，students can have a deeper understanding of semiconductor devices and analog electronic circuits.It will lay a firm foundation for the design and manufacture of analog integrated chip in the future.

Key words：Integrated circuit design;Analog electronics;teaching reform;Simulation analysis and verification

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：

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：

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]。圖4為傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

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（Electronic Design Automation）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)。

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基金項(xiàng)目：安陽(yáng)工學(xué)院2018年教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目課題“基于CADENCE和HSPICE的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究”（項(xiàng)目標(biāo)號(hào)：AGJ2018032）

作者簡(jiǎn)介：李宏杰（1989），男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，安陽(yáng)工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院教師，主要從事模擬電子技術(shù)高等教育方面的研究。