基于工程教育認(rèn)證的射頻集成電路設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

陳昌明 王天寶 陳功 鄒興平

[摘 要] 文章以工程教育認(rèn)證為背景，針對(duì)目前射頻集成電路設(shè)計(jì)課程工程教育的一些突出問(wèn)題，結(jié)合國(guó)際工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)提出了課程教學(xué)改革的內(nèi)容及方法。從課程教學(xué)改革目標(biāo)、教學(xué)方法實(shí)施和課程考核三個(gè)方面簡(jiǎn)明扼要地介紹了課程工程教育教學(xué)改革的思路。

[關(guān)鍵詞] 工程教育認(rèn)證;射頻集成電路;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2018—2020年四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目：面向工程教育認(rèn)證的《射頻集成電路設(shè)計(jì)》課程建設(shè)與實(shí)踐（JG2018-550）;2019年第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201901292007）

[作者簡(jiǎn)介] 陳昌明（1971—），男，四川綿陽(yáng)人，博士，教授，碩導(dǎo)，研究方向?yàn)樯漕l微波集成電路設(shè)計(jì);王天寶（1967—），男，四川廣元人，碩士，教授，碩導(dǎo)，研究方向?yàn)橥ㄐ偶呻娐吩O(shè)計(jì)。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）42-0165-02? ? [收稿日期] 2020-08-27

一、引言

射頻或微波集成電路作為無(wú)線(xiàn)通信、雷達(dá)以及物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的關(guān)鍵器件之一，已經(jīng)成為國(guó)家發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)核心的重要部分。目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)對(duì)射頻集成電路設(shè)計(jì)人才需求日益增加。射頻集成電路設(shè)計(jì)課程作為國(guó)內(nèi)許多高校工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的課程之一，其課程建設(shè)與教學(xué)改革對(duì)保證和提高工程教育質(zhì)量具有重要作用。相比歐美一流大學(xué)的工程教育，過(guò)去較長(zhǎng)一段時(shí)間該門(mén)課程工程教育面臨如下突出問(wèn)題：（1）由于射頻集成電路設(shè)計(jì)涵蓋知識(shí)面廣，涉及工藝、電路設(shè)計(jì)布局以及電磁場(chǎng)等理論，對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)要求高，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)難以掌握，大部分學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài);（2）單一的理論講授模式，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣;（3）實(shí)踐環(huán)節(jié)空缺直接影響到學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，對(duì)課程進(jìn)行建設(shè)和教學(xué)改革，注重學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，將射頻集成電路工程實(shí)際項(xiàng)目與課程教學(xué)內(nèi)容融合，達(dá)到國(guó)際工程教育培養(yǎng)目標(biāo)[1-2]，采用先進(jìn)的教學(xué)理念和人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)當(dāng)前行業(yè)急需的高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才具有重要意義。

二、改革內(nèi)容

（一）課程教學(xué)改革目標(biāo)

課程改革的目標(biāo)定位為“夯實(shí)基礎(chǔ)，突出工程實(shí)踐”，即課程實(shí)際教學(xué)內(nèi)容做到與國(guó)內(nèi)外著名大學(xué)的同類(lèi)課程接軌。認(rèn)真研究該門(mén)課程工程教育的“產(chǎn)出”質(zhì)量，在課程結(jié)業(yè)時(shí)細(xì)化學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲，即評(píng)估學(xué)生所掌握的知識(shí)，并對(duì)學(xué)生在畢業(yè)后幾年內(nèi)從事射頻集成電路設(shè)計(jì)方面的學(xué)識(shí)和技能預(yù)期達(dá)到的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（二）教學(xué)方法改革

射頻集成電路設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性、技術(shù)性、實(shí)踐性。與傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字集成電路不同，射頻集成電路設(shè)計(jì)涵蓋知識(shí)面廣，涉及廠(chǎng)商工藝、器件模型、原理圖設(shè)計(jì)、版圖布局等理論知識(shí)及工程經(jīng)驗(yàn)。為引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題，充分運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)教學(xué)手段和方法，勢(shì)在必行。

1.采用啟發(fā)式互動(dòng)教學(xué)法，以“成果導(dǎo)向的工程教育”理念為目標(biāo)，突出學(xué)生在教學(xué)互動(dòng)過(guò)程中的主體地位。課堂上教師提問(wèn)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生積極思考，逐步培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。例如，講解CMOS集成低噪聲放大器時(shí)，可以首先向?qū)W生提問(wèn)“射頻集成低噪聲放大器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)是什么？”，逐步引導(dǎo)學(xué)生按照以下思路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)：第一，需要仔細(xì)選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);第二，根據(jù)電路的功耗以及增益來(lái)確定管子的靜態(tài)偏置電流，以此確定MOS管的寬長(zhǎng)比尺寸;第三，以獲得的最小噪聲系數(shù)為主設(shè)計(jì)輸入匹配電路;第四，兼顧增益和噪聲完成輸出匹配電路設(shè)計(jì);第五，根據(jù)仿真結(jié)果適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化輸入輸出匹配電路。經(jīng)過(guò)這樣一系列的引導(dǎo)和訓(xùn)練，使學(xué)生了解了集成低噪聲放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.充分利用視頻動(dòng)畫(huà)、實(shí)物照片以及聲音等現(xiàn)代教學(xué)手段改進(jìn)和豐富多媒體課件，突出工程實(shí)踐應(yīng)用內(nèi)容，增加學(xué)生對(duì)射頻集成電路設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識(shí)。例如：在講解Gilbert混頻器時(shí)，可以通過(guò)視頻動(dòng)畫(huà)介紹混頻的鏡頻干擾，引導(dǎo)學(xué)生如何在電路設(shè)計(jì)中抑制和解決問(wèn)題，使學(xué)生能夠更充分地結(jié)合理論知識(shí)認(rèn)識(shí)實(shí)際工程問(wèn)題，從而提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.仿真軟件的應(yīng)用。學(xué)生能熟練運(yùn)用工程軟件進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)，是工程教育要求學(xué)生必備的工程能力之一[3]。因此，在教學(xué)過(guò)程中，要求學(xué)生使用Cadence軟件中的Specture RF工具，使用TSMC 0.18μm工藝來(lái)完成射頻集成收發(fā)機(jī)的仿真設(shè)計(jì)。這樣既可以使學(xué)生掌握低噪聲放大器、振蕩器、功率放大器和混頻器的基本理論知識(shí)，又使學(xué)生掌握整個(gè)射頻收發(fā)機(jī)前端單片集成電路設(shè)計(jì)的電路及版圖仿真分析方法。教師在課堂上可以使用Cadence軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例仿真演示，將電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)參數(shù)的影響直觀(guān)展示出來(lái)，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解和吸收，同時(shí)師生互動(dòng)討論，活躍課堂氛圍。

4.基于校企合作模式[4]，強(qiáng)化與IC設(shè)計(jì)公司之間的關(guān)系，搭建研學(xué)型、創(chuàng)新型和系統(tǒng)性的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐平臺(tái)。在工程實(shí)踐教學(xué)中可以根據(jù)IC設(shè)計(jì)公司的需求，讓學(xué)生參與IC設(shè)計(jì)公司的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)過(guò)公司評(píng)估可以交付公司流片，或者申請(qǐng)MPW項(xiàng)目（multi-project wafer，MPW）。通過(guò)這樣一個(gè)平臺(tái)大大提升了學(xué)生的工程實(shí)踐水平。

（三）課程考核

傳統(tǒng)的課程考核方式主要以筆試為主，重在理論基礎(chǔ)。對(duì)于射頻集成電路設(shè)計(jì)這門(mén)工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程來(lái)說(shuō)，這種考核方式不能全面考查學(xué)生的綜合能力。為此，本課程成績(jī)采用筆試、平時(shí)作業(yè)、工程實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目答辯及項(xiàng)目報(bào)告共同計(jì)入該門(mén)課程的總成績(jī)。

三、結(jié)語(yǔ)

本文基于工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景，結(jié)合筆者近幾年參與的專(zhuān)業(yè)建設(shè)和課程教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)，探討了工程背景較強(qiáng)的射頻集成電路設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革框架和考核方式，希望能為當(dāng)前國(guó)內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)的工程教育認(rèn)證提供有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)

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Teaching Reform of Radio Frequency Integrated Circuits Design Course Based on Engineering Education Certification

CHEN Chang-ming，WANG Tian Bao，CHEN Gong，ZOU Xing-ping

（College of Communication Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu，Sichuan 610225，China）

Abstract：Under the background of engineering education certification，some problems existing in engineering education of Radio Frequency Integrated Circuit （RFIC） Design course are introduced.Based on the international engineering education certification standards，the content and methods of the course teaching reform are also proposed.This paper briefly introduces the ideas of engineering education and teaching reform of the course from three aspects：the goal of course teaching reform，the implementation of teaching methods and course examination.

Key words：engineering education certification;Radio Frequency Integrated Circuit;teaching reform