《模擬集成電路原理》課程教學方法改革與實踐

謝海情 蔡稀雅 郭 劍 鄒望輝

（長沙理工大學物理與電子科學學院 湖南·長沙 410114）

0 引言

作為信息技術產業的核心，集成電路是支撐國家經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業，已成為實現科技強國、產業強國的關鍵標志[1-3]。目前，我國大力發展集成電路產業，不斷提高技術的創新能力，產業發展支撐能力也得到了明顯提高。然而與發達國家和地區相比，我國集成電路技術仍然比較落后，高端芯片產品做不到自給自足，對構建國家產業核心競爭力、保障信息安全等做不到有力支撐[4]。近年來，我省高度重視集成電路產業的發展，組建了省集成電路產業聯盟，初步形成了以芯片設計和IGBT為特色的長沙、株洲兩大產業集聚區，擁有集成電路企業246家。

集成電路是典型的人才密集型產業。產業的發展需要以人才為支撐，集成電路產業人才的培養是集成電路產業發展中基礎性工程。數據表明，到2020年集成電路產業總需求量是72萬人，現有人才總數只有40余萬，缺口達到30萬，而目前相關專業每年的畢業生在3萬人左右，人才缺口依然較大[5]。

1 課程現狀

我校電子科學與技術專業以培養集成電路設計與微電子器件方向的創新型高級專門人才為目標。《模擬集成電路原理》是該專業的核心、必修課程，對培養模擬集成電路相關方向的人才有至關重要的作用[6,7]。其所需基礎課程有電路基礎、電子線路（上、下）、半導體物理、微電子器件等。該課程的學習需要大量的基礎知識儲備量和較強的分析理解能力。教學過程中，首先引入模擬電路設計的概念性知識，講解集成電路的發展與其對生產、生活產生的影響。接著進入理論知識的教導，從講解MOS器件的工作原理與各種工作狀態下工作特性的模型推導入手；然后介紹了基本模擬芯片模塊的分析，如單級放大器、差動放大器、運算放大器和電流鏡；再到各種性能參數與系統層次模塊設計的教學，如電路噪聲分析、系統穩定性分析、基準電壓源設計、鎖相環設計等。整個教學過程要求學生掌握大量理論基礎知識，記住多個典型電路結構與模型，學會并完成簡單的系統層次集成電路分析與設計。在教學期間，實驗課程與理論課并行，需講解EDA軟件的使用和傳授集成電路設計的常用的方法[8,9]。

學生在學習過程當中，缺少工程體驗，而集成電路本就存在內容抽象、理論計算公式煩瑣、圖示復雜等特點，導致學生學習興趣降低。課程本身具有較大的學習難度，往往一節課跟不上就導致后面的課程都學不懂。尤其對于低年級專業基礎課程熟悉程度較差的學生，其學習難度翻倍增加。另外，該課程是一門理論與實踐并重的課程，學生在學習過程中，需學會相應的EDA工具使用，并完成相應的實驗。目前EDA工具大多由國外引進，其安裝使用難度較大，且相應的使用說明書大多為英文，使得學生在課后自主學習難度較大，進一步加大了教學難度和學習難度[10,11]。

為進一步優化教學質量，提高人才培養質量，應對《模擬集成電路原理》課程的教學方法進行改革。

2 課程教學方法改革

2.1 加強理論基礎、緊扣專業前沿

《模擬集成電路原理》課程對專業基礎知識要求較高，加強對電路基礎、電子線路（上、下）、半導體物理、微電子器件等基礎課程的教學強度，讓學生深入掌握必備的基礎知識，使學生在后面學習過程更加容易，降低因基礎差而跟不上課程進度的影響。對于難度較大的課程，學生上課期間可能掌握不了，在課后定期開設答疑課程，可為學生解答較為復雜的知識點，掃除學生的知識盲區。

教材課本的選擇也是極其重要的。國內的該課程的教材內容較陳舊，對國外著名教材的翻譯質量也不太高，通過對各種教材的考察并針對我校學生和課程的特點，選擇國外經典著作畢查德·拉扎維的《模擬CMOS集成電路設計》的中文翻譯版為課程主教材，外文原版作為輔助教材。這本書介紹了模擬CMOS集成電路的分析與設計，不僅詳細地闡述了模擬電路的基本原理和概念，同時還闡述在片上系統中模擬電路設計遇到的新問題及電路技術的新發展。本書由淺入深，理論與實際相結合，提供了大量現代工業的設計實例，是現代模擬集成電路設計的理想教材。在使用這本書的時候，應鼓勵學生多參考外文原版教材，提高學生的英文閱讀能力。

集成電路技術發展速度迅猛，更新換代快，容易出現課本知識落后于科技前沿較大的情況。在教學過程中，不單單要講解課本上的理論知識，還要融入當前先進的科學技術知識。講解當下集成電路發展現況，讓學生的知識水平跟上科技前沿。同時，前沿技術的引入可以增加教學的趣味性，培養學生的探索精神。

2.2 完善實踐教學、促進知識理解

《模擬集成電路原理》課程具有較強的工程性，在學會相應的理論基礎后，應注重工程實踐。集成電路制備工藝復雜，其流片成本昂貴。因此，學生無法通過制備具體電路芯片完成實驗驗證。但隨著電路仿真技術的進步和發展，集成電路仿真方案愈來愈成熟。性能強大的EDA工具可以對學生設計的集成電路模塊進行高質量模擬仿真，讓學生進一步理解集成電路的理論知識。且集成電路仿真也是集成電路工程師從事研發的核心步驟之一。

EDA工具大多具有版權限制，對硬件使用環境要求較高。此外，通常需要大量的時間來完成一個集成電路測試。首先學校應進一步完善實驗教學平臺，增加實驗課程課時，實驗課由學生動手實踐為主，教師指導為輔。參考模擬芯片所使用的工具，學生可以預先接觸到各種設計工具，并將它們結合起來使用。其次開設課后興趣實驗小組，自由開放EDA實踐平臺，以增加學生的實驗機會，給學生獨立創新思考的空間，深入體會集成電路的工程性，提高課程學習興趣。

2.3 鼓勵學科競賽、提高創新能力

高校學科比賽可以鞏固與增強學生對基礎理論知識的理解，同時提高學生的知識的運用能力和創新能力。目前，學生參加各類專業比賽是高校教學環節接中重要一部分。很多學習競賽往往由校企聯合舉辦，大賽命題很多時候基于企業的實際項目。學生在參加比賽的過程可以把理論與實踐相結合，真正做到把知識運用到實際生產生活中。

學校將加大力度，鼓勵和支持電子科學與技術專業的學生參與“全國大學生集成電路創新創業大賽”等學科競賽，對教學模式進行改進，吸引和選拔優秀學生，實現因材施教，做到教學資源的充分利用和合理化調配。

3 結論

集成電路是典型的人才密集型產業，集成電路產業發展的最重要因素是人才。通過每年的就業情況以及專業數據表明，集成電路產業總需求量遠遠大于現有人才總數，集成電路高層次人才嚴重缺乏。《模擬集成電路原理》是高等院校集成電路人才培養的重要課程。針對該課程講授與學習的特點，從加強理論基礎、緊扣專業前沿，完善實踐教學、促進知識理解，鼓勵學科競賽、提高創新能力等三個方面對該課程的教學方法進行改革，從而提高集成電路人才的培養質量，為國家和社會輸送高質量集成電路相關領域的人才，具有重要的意義。