CMOS反相器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐研究與探討

張金燦 張羽 劉博 劉敏

摘? 要：CMOS反相器作為集成電路最基本的門電路，是電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、集成電路設(shè)計(jì)等專業(yè)學(xué)生的必備知識與技能。MOS反相器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以兩種MOS反相器設(shè)計(jì)對比為研究內(nèi)容，既有線上操作、網(wǎng)絡(luò)答疑，又有線下指導(dǎo)。采用“貫通式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過程“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)課改革? 反相器? 集成電路? 虛擬仿真

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）04（c）-0223-03

Practical Research and Discussion on Virtual Simulation Experiment of CMOS Inverter

ZHANG Jincan1? ZHANG Yu2? LIU Bo1? LIU Min1

（1. Electrical Engineering College， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan Province， 471023 China;2. Foreign Languages College， Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan Province， 471023? China）

Abstract： As the most basic gate circuit of integrated circuit， CMOS inverter is the necessary knowledge and skills for students majoring in Electronic Science and Technology， Electronic Information Engineering， Integrated Circuit Design， etc. The virtual simulation experiment of MOS inverter takes the design comparison of two kinds of MOS inverter as the research content， which includes online operation， network Q &A， and offline guidance. In order to improve the students' practical ability and innovative spirit， the "through" experimental teaching method and the "combination of virtual and real" experimental teaching method are adopted.

Key Words： Reform of experimental course; Inverter; Integrated circuit; Virtual simulation

集成電路產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、推動信息化和工業(yè)化深度融合的核心與基礎(chǔ)，是轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、保障國家信息安全的重要支撐，其戰(zhàn)略地位日益凸顯[1-4]。未來5～10年是我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的攻堅(jiān)時期。

為了適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，為集成電路企業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型高技術(shù)工程和管理人才，按照我校“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐、求創(chuàng)新、強(qiáng)素質(zhì)”的人才培養(yǎng)理念，培養(yǎng)適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的實(shí)踐能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新意識的高級應(yīng)用型人才 。CMOS反相器作為集成電路領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，掌握其工作原理、設(shè)計(jì)、仿真與分析方法對于學(xué)生從事集成電路相關(guān)工作起著基礎(chǔ)性作用。

CMOS反相器作為集成電路最基本的門電路，是電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、集成電路設(shè)計(jì)等急需專業(yè)學(xué)生的必備知識與技能，實(shí)驗(yàn)中為了提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，設(shè)立了電阻型反相器以及CMOS反相器兩種反相器性能對比的比較實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以3D仿真以及動畫技術(shù)等信息技術(shù)為依托，促進(jìn)學(xué)生對于該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的深入理解，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以兩種MOS反相器設(shè)計(jì)對比為研究內(nèi)容，既有線上操作、網(wǎng)絡(luò)答疑，又有線下指導(dǎo)。最終，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生對于內(nèi)容的理解，強(qiáng)化設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)工程實(shí)踐素養(yǎng)。

1? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

為進(jìn)一步提升教學(xué)效果，讓學(xué)生以盡可能短的時間學(xué)習(xí)掌握相關(guān)器件設(shè)計(jì)與仿真方法，采取以下實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

1.1 “貫通式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在長期的教學(xué)實(shí)踐中，形成了“貫通式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。融會貫通是學(xué)習(xí)知識的上乘境界，也是教學(xué)工作所追求的目標(biāo)[5-6]。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目屬于《集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程，在電子科學(xué)與技術(shù)人才培養(yǎng)體系中，起著承接《電路分析》《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》等前導(dǎo)課程知識與技能，以及后續(xù)《集成電路工藝》《可編程邏輯器件》等后續(xù)課程的作用，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果可用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，以最基礎(chǔ)的CMOS反相器設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，采用“貫通式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，從底層基本的晶體管結(jié)構(gòu)、工作原理，到其上層反相器的設(shè)計(jì)及特性規(guī)律，最終引導(dǎo)學(xué)生思考其在頂層電路中應(yīng)用時的作用及影響，融合理論學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)實(shí)操、工程強(qiáng)化的一體化教學(xué)，同時嘗試采用“精講、演示、提問、提示、研討、評析”相貫通的新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。建立一套完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺展開在線學(xué)習(xí)，可實(shí)現(xiàn)在線問答、測試成績大數(shù)據(jù)分析、學(xué)習(xí)方法交流、通知發(fā)放等互動功能。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程“虛實(shí)結(jié)合”

虛實(shí)結(jié)合的專業(yè)仿真工具學(xué)習(xí)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和在線教學(xué)平臺，將仿真過程涉及到的抽象理論、結(jié)果及實(shí)驗(yàn)過程可視化，開發(fā)了3D虛擬模型，利于學(xué)生對設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)結(jié)果與器件內(nèi)部物理特性之間建立聯(lián)系。

2? 實(shí)施過程

為了適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，為IC企業(yè)培養(yǎng)高技術(shù)工程和管理人才，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于比較兩種反相器結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過程中穿插知識點(diǎn)問答的案例互動式、研討式教學(xué)，鼓勵學(xué)生自主思考、自主解決問題。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可供學(xué)生通過管理平臺自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)，不受時間、空間限制。管理平臺也可通過智能手機(jī)瀏覽，可使學(xué)生利用碎片化時間進(jìn)行學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)。只需通過管理平臺注冊用戶，審核通過后即可開展學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始時，虛擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)通過在線實(shí)驗(yàn)平臺下發(fā)到學(xué)生手中，當(dāng)進(jìn)行到相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容時要求學(xué)生提前做好預(yù)習(xí)。實(shí)驗(yàn)完成時，虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可通過管理平臺在線提交，還可參加在線測試，通過測試后，可獲得項(xiàng)認(rèn)證證書。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目認(rèn)證主要考察實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果、在線測試等3個方面。評分標(biāo)準(zhǔn)如下：實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及問題回答占20%;虛擬實(shí)驗(yàn)每個步驟2分，10步虛擬實(shí)驗(yàn)步驟共占總成績的40%;在線測試占40%。再根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果和疑問，教師錄制相關(guān)“微課”進(jìn)行講評與解答。

整個實(shí)驗(yàn)過程通過老師演示、學(xué)生實(shí)操、過程考察、互動討論的四步實(shí)驗(yàn)流程，基于課堂實(shí)際理論教學(xué)中的重點(diǎn)問題和案例，開展以學(xué)生為主，教師引導(dǎo)為輔的互動式、研討式實(shí)踐教學(xué)，積極推動學(xué)生的自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)。該實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施流程和詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟如圖1所示。

3? 實(shí)施效果分析

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已在本校開展了10余年時間，面向電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程、通信工程等多個相關(guān)專業(yè)數(shù)以千計(jì)的學(xué)生，學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出了非常濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

我校于2002年對“集成電路原理與設(shè)計(jì)”課程開展教學(xué)改革，對單純的課堂理論學(xué)習(xí)配套引入CMOS反相器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。自從引入該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以來，極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課程不及格率持續(xù)下降，集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的不及格率也由最高時的36%下降到10%左右。同時，整個實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生們對設(shè)計(jì)和仿真內(nèi)容都非常積極自主，尤其對于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)當(dāng)中的問答題，都比較積極主動地思考，自主學(xué)習(xí)能力提高顯著。

通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的開展，學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力得到了有效提升。在“全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽”“挑戰(zhàn)杯”等學(xué)科競賽中取得優(yōu)異成績，共獲得全國一等獎8項(xiàng)、二等獎17項(xiàng)、省級獎勵126項(xiàng)。

同時，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已成為我校電子類專業(yè)在創(chuàng)新實(shí)踐教育體系中的重要一個節(jié)點(diǎn)，與課程設(shè)計(jì)、綜合訓(xùn)練、大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP）、大學(xué)生實(shí)踐計(jì)劃（SRPP）、學(xué)科競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)相輔相成，提高了學(xué)生綜合素質(zhì)和專業(yè)技能水平，在開展的全國電子信息技術(shù)專業(yè)資格水平評估考試（全國電子信息技術(shù)專業(yè)資格認(rèn)證考試）中，學(xué)生取得良好成績，合格率達(dá)100%。

4? 結(jié)語

CMOS反相器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了一個虛擬仿真的集成電路設(shè)計(jì)平臺，該平臺先用通用的集成電路設(shè)計(jì)軟件，集合了電路設(shè)計(jì)以及性能仿真等操作。該仿真實(shí)驗(yàn)既有線上操作、網(wǎng)絡(luò)答疑，又有線下指導(dǎo)。最終，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生對于內(nèi)容的理解，強(qiáng)化設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)工程實(shí)踐素養(yǎng)，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

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