CMOS集成電路課程教學的探討與實踐

賀 旭，鄧全利

（湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410082）

0 引 言

集成電路作為信息產業的基礎和核心，是關系國民經濟和社會發展的全局戰略性產業。近年來，智能手機、平板電腦等消費類電子產品以及移動互聯網、3G通信、汽車電子、工業控制、儀器儀表、信息安全、醫療電子等市場快速發展，極大地帶動了集成電路設計業的快速成長。CMOS集成電路因具有低功耗、大噪聲容限、易于設計等特點，一直在RAM、CPU、DSP及ASIC等方面廣泛應用。在這樣的大環境下，高校計算機專業也開設了CMOS集成電路課程。

CMOS集成電路作為計算機智能專業的限選課程，使學生了解CMOS集成電路基礎原理及分析和設計方法，初步熟悉集成電路的設計流程，并在此基礎上擴寬當前芯片產業鏈、先進EDA工具、AI芯片等知識面。

教學采用“大班授課+小班討論”的教學模式，以及“做中學”的教育理念[1]。區別于傳統教學以教師為主導的方式，本課程以學生為中心，針對計算機智能專業學生的特點，采用多種教學手段，讓學生更加主動地學習、實驗和調研。

1 教學中存在的問題

CMOS集成電路課程是面向計算機智能專業學生的限選課，安排在大三上學期。這些專業的學生都先修了計算機組成原理和數字邏輯等課程，對計算機系統硬件設計有一定了解[2]。但因為專業培養目標更偏向于計算機應用，在硬件設計上的實踐訓練要求不像電子或通信專業那樣深入，主要目標是讓學生掌握CMOS電路的原理和分析方法，從而更好地利用計算機系統實現所需功能。

與計算機專業的核心編程課程相比，CMOS集成電路課程在知識趣味性和學生學習動力方面都有所不同，主要存在以下問題[3-10]。

（1）缺乏靈活性：即使目前課程早已采用多媒體教學，但本質上還是教師課堂授課，學生被動聽課。CMOS集成電路不是易于上機實踐、操作性強的課程，課堂授課方式單一，理論性教學枯燥無味，影響授課效果。

（2）缺乏實踐環節：CMOS集成電路的所有內容都離不開實驗驗證，僅僅在一個學期的時間內把大量理論知識灌輸給學生，而沒有相應的實踐手段加以輔助，只通過習題和考試的方式，很難使學生消化知識。

（3）考核方法單一：計算機專業是基于動手上機和實驗的工科專業，僅通過考試考核學生對知識的掌握是很片面的，學生容易通過死記硬背應付考試，考試一過就忘記所學知識點。在碰到具體硬件問題時無從下手，會失去開設集成電路課程的意義。

2 教學手段和內容

為了讓學生主動發現問題、解決問題，課堂教學可以先拋出問題，再引導學生思考調研，讓學生主動學習、主動討論。

課程的教學方式分為以下3種。

（1）理論教學：要求在對CMOS器件和連線特性做簡要介紹后，深入分析CMOS靜態電路和動態電路的特點，內容包括反相器及其他基本單元門電路的設計、傳輸門、多米諾電路、雙穩態電路等，并逐步將這些知識延伸到存儲器的設計、組合邏輯電路CPU的設計等。此外還會涵蓋集成電路的設計與制作過程的淺顯介紹，讓學生對芯片硬件設計有更加深入的了解。

（2）課程實驗：利用HSpice、Avanwaves等EDA工具，對教學中的電路進行仿真分析和波形查看，深化對理論知識的了解，包括MOS晶體管的電壓電流特性、反相器特性和振蕩器仿真、單元門電路設計、存儲器和全加器的設計等多個實驗。

（3）小班討論：根據理論教學進度，安排學生做課外調研討論，內容既有教學的難點（如反相器的原理和應用、雙穩態工作原理等），也有當前芯片發展的熱點（如后摩爾時代、AI芯片、Xilinx FPAG設計工具Vivado HLS等）。

評估包括理論課程期中期末考試、課程實驗、平時作業及討論課多個部分。

以上3種教學方式，并不是CMOS集成電路特有的，如何將這3種教學方式有機結合在集成電路課程中，本文在第3章的案例中進行介紹。

3 教學案例分析

以反相器的原理和應用這一主題為例，進行案例介紹。

反相器傳統的功能就是邏輯取反，CMOS電路采用一個NMOS作為下拉電路，一個PMOS作為上拉電路即可，這是反相器最表層知識。為了深入講解反相器，本課程采用引導方式教學，具體的實施過程和不同過程的關聯見圖1。

預習環節：讓學生未學習或僅學習反相器最表層知識后，開展一次小班主題討論，每個班5名左右學生，每次15～20分鐘，每人就反相器的應用進行調研，包括但不局限邏輯取反、輸出標準電壓、振蕩器、雙穩態電路、緩沖器（buffer，電路連線中兩個反相器級聯減少線長時延）、反相器級聯放大信號等用途。這樣，不僅大大擴寬學生對所學反相器的了解，還可以引導他們探索為什么反相器有這些用途。

授課環節：在小班主題討論之后，課堂授課可以就反相器的原理和設計進行全面講解，對討論課中學生沒有回答清楚或回答不全面的各知識點進行對應強化。例如，圖2（a）是反相器的直流電壓傳輸曲線，通過分段函數的方式推導出來，其中可以看出輸入Vin的電壓在0～VTN范圍內，Vout都處于VDD，同理在Vin的電壓在VDD+VTP～VDD范圍內，Vout都處于0V。這就很好地解釋了為什么反相器可以對不標準的輸入做到輸出標準電壓這個用途。

圖2 反相器授課環節舉例

實踐環節：深化反相器時延模型。在課程授課時，對反相器時延的分析，正比于反相器的負載電容CL以及反相器自身MOS晶體管Ro（一般根據NMOS和PMOS的導電因子、閾值電壓計算）。但這個理論知識課程講解很空泛，為了讓學生更好地熟悉RC時延公式，實驗中讓他們采用HSpice軟件進行反相器時延仿真，包括對稱/非對稱反相器分析、反相器NMOS，PMOS寬長比W/L的設計、振蕩器周期分析等。圖3為反相器部分實驗內容舉例。

在講解反相器的過程中，還會提出一些教材沒有的問題讓學生思考，比如早期CMOS沒有大規模應用時，多采用單溝道技術（只用一種晶體管，要么NMOS，要么PMOS），那么只有NMOS構成的反相器是什么樣的？課堂和課后并沒有給出答案，讓學生自己搜索資料，解開謎團。雖然只有少數學生解開答案，但讓大多數人對半個多世紀前集成電路歷史有了更多認識。

圖3 反相器實驗環節舉例

4 教學經驗

4.1 總體情況

筆者在2017-2018年課程中采用了上述教學方案，發現學生們的積極性和探索性有所改進，每次課后都有學生主動提出問題，這是CMOS電路理論教學針對智能專業學生教學的進步。因為以往課程中，計算機專業學生多會直接反饋聽不懂，也沒有興趣再深究具體哪個電路知識聽不懂。目前的方法使學生有問題就主動提，說明大部分聽課的學生隨著課堂講解思考。

4.2 課程建設

本課程除了應用多手段的教學模式外，拋棄以往版書化的多媒體PPT課件，所有課件均采用動畫的形式展現。舉例：PN 結形成過程，圖4使用動畫表現PN結形成過程，學生就容易接受了。

此外，為了方便學生線下學習，課程網址不僅涵蓋課件、習題講解，還有課程調研主題和實驗內容。針對有些學生做演講不夠專業的現象，設立正反例演講制作規范，網站還會公開以往優秀調研來鼓勵學生，達到良性循環。

5 結 語

作為計算機智能專業的限選課程，CMOS集成電路不僅是對專業核心課計算機組成原理和數字邏輯等課程的硬件實現，也是芯片設計以至當前熱點AI芯片設計的基礎。為了讓智能專業的學生更主動有效學習，本課程采用小班討論的方式讓學生主動預習調研，課堂授課解答調研，實驗課程驗證理論等多種方式，跳出傳統理論考試的誤區，鼓勵學生主動參與教學、積極思考、敢于探究。

圖4 PN結的形成過程動畫截圖