“模擬集成電路設計”案例教學研究與實踐

［摘 要］ 隨著我國集成電路產業的發展，急需大量集成電路設計類人才，如何解決這一緊迫的需求，更好地實現產教融合，培養優秀的、能夠適應產業需求、解決復雜工程問題的設計類人才，是高校“模擬集成電路設計”課程本科教學中亟待解決的核心問題。依托所在學院開設的案例教學類課程，通過項目式學習和課賽結合的方式，形成了基于國產EDA工具的模擬集成電路設計案例教學方法，開展并完成了多個學期的教學改革和實踐。教學數據表明，案例教學方法可顯著提高學生的獲得感和滿意度。但對于不同水平的學生，效果存在一定的差異。基于此，提出了進一步改進案例教學的三點建議。

［關鍵詞］ 案例教學；模擬集成電路設計；EDA；Empyrean Aether

［基金項目］ 2021—2023年山東大學教學研究課題“基于國產EDA工具集成電路設計案例實踐教學研究”（2021Y052）；2019年度教育部第二批產學合作協同育人項目“基于華大九天EDA集成電路設計案例教學”（201902024010）

［作者簡介］ 曹 超（1988—），男，山西朔州人，博士，山東大學集成電路學院助理研究員，主要從事模擬IC設計研究；王 永（1972—），男，山東煙臺人，博士，山東大學集成電路學院教授，主要從事集成電路設計研究；郭海君（1991—），女，山東聊城人，博士，濟南大學信息科學與工程學院講師，主要從事集成電路設計研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）33-0063-04 ［收稿日期］ 2023-06-25

引言

《國家集成電路產業發展推進綱要》中提出，集成電路產業是信息技術產業的核心，是支撐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［1］。首先是人才供需失衡問題。其次是師資與實訓條件不足，教學軟硬件資源缺乏，導致產教環節部分脫節，造成了崗位和能力之間的結構性錯配。這些都對高校集成電路設計人才的培養提出了嚴峻的挑戰。

北京華大九天軟件有限公司（“華大九天”）成立于2009年，該公司研發了Empyrean EDA工具，提供了從電路到版圖完整解決方案。采用國產EDA工具，可降低高校的EDA軟件投入費用，解決產教脫節的問題。

本文依托山東大學國家示范性微電子學院國家一流本科專業集成電路設計與集成系統培養方案中的“案例教學與課程設計Ⅱ”課程，基于“模擬集成電路設計”課程，主要內容為典型模擬集成電路模塊或系統的設計，包括電路原理圖設計、仿真、版圖設計、寄生參數提取和后仿真等設計全流程。依托華大九天模擬集成電路設計全流程EDA工具開展實踐教學，采用項目設計案例為主，配合理論講授答疑等的教學方法，同時采用課賽結合的方式。最后，在多輪次的教學過程中，根據考查情況，對該教學方法的成效進行了討論和分析。

一、教學現狀分析

“模擬集成電路設計”是當前國內各大高校集成電路設計與集成系統專業的必修課程。為進一步提高鞏固教學質量，山東大學微電子學院開設了“案例教學與課程設計Ⅱ”作為實踐類提高課程。該課程依托實際工程案例，要求學生熟練掌握集成電路設計流程，培養學生的工程設計研發能力。本文首先調研了已有的同類教學研究文獻。馬馳遠等［2］在研究生課程中提出了基于真實工程項目設計的案例式教學方法，開展了歷時三年的教學改革研究與實踐，說明了該方法對學生綜合能力培養的好處；李宏杰等［3］探究了一種面向集成電路設計的模擬電子技術教學改革方法，使用Cadence等仿真軟件對理論知識建模和仿真分析，加深對理論知識的理解；章丹艷［4］圍繞課程內容和教學手段，提出了一種設計類課程的教學改革方案與措施，取得了良好的效果；廖午陽［5］提出了一種實例教學法，旨在幫助學生有效地理解模擬集成電路設計，激發學習興趣，掌握就業技能；藺智挺［6］探索了項目教學法在實際教學中的應用。

近幾年，全國大學生集成電路創新創業大賽（大學生集成電路設計大賽）、集成電路EDA設計精英挑戰賽、集成電路設計與應用賽項等集成電路相關的大學生比賽活動開展得如火如荼。張鴻［7］探索了如何利用集成電路設計大賽促使學生加深理論理解，提高設計能力，推動創新；張威等［8］從學生參加集成電路設計大賽所具備的能力要求出發，對模擬集成電路課程教學進行改革，主要包括課程體系、教學方法、實踐環節和“雙師型”教學團隊建設；曹超等［9］進行了一學期的教學改革和實踐，形成了一種基于國產EDA工具的模擬集成電路設計案例教學方法。

上述文獻從案例研究、考核方法和課賽結合等多個維度探索了針對集成電路設計課程的教學改革，本文將在此基礎上針對本課程特點做進一步的教學探討。

二、課程設計

本文采用的教學改革依托山東大學國家示范性微電子學院集成電路設計與集成系統專業的“案例教學與課程設計Ⅱ”課程，開展了3個學期的案例教學實踐。“案例教學與課程設計Ⅱ”為專業選修課，授課對象為2017—2019級集成電路設計與集成系統專業本科生，共64學時。在多輪次的教學實踐中逐漸摸索形成了如圖1所示的案例教學實踐流程。

在課程教學中，一是注重“模擬集成電路基礎”“模擬集成電路基礎實驗”“案例教學和課程設計Ⅱ”等相關課程的聯系，以課組為單位加強不同課程任課教師之間的溝通，修訂相關課程的教學大綱，優化前后課程銜接關系。在各個模塊教學中，將理論教學和EDA仿真實驗相結合，開展演示性實驗、驗證性實驗，以實驗結果解釋驗證理論知識，幫助學生初步了解常見的EDA工具、電路仿真類型、電路設計方法流程等基礎知識。二是通過線下課程講授與線上部分資源結合的方式，介紹華大九天模擬集成電路設計全流程EDA工具的使用技巧，開展國產華大九天EDA工具培訓，幫助學生學習和了解EDA工具模擬集成電路設計全流程相應的操作方法；為做好與前序課程的銜接，降低學生的學習門檻，在本課程的案例教學中首先選擇兩級運算放大器的設計作為模擬項目，要求學生從原理圖到版圖的每個設計環節完成對應功能模塊的設計，掌握正向設計的思路，通過查找資料、交流討論等方式解決設計中遇到的復雜工程問題，逐步推進最終完成整體項目設計。在后續的教學設計中，針對連續時間模擬集成電路，選擇從運算放大器（Operation Amplifier，OPA）到帶隙基準（Bandgap Reference，BGR）再到低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）循序漸進的案例教學順序。最終完成案例教學，掌握模擬集成電路設計全流程。三是開展課賽結合。首先將往屆競賽題目用于模擬項目及教學案例中，激發學生學習興趣和成就感。組織學生組隊參加“全國大學生集成電路創新創業大賽”“集成電路EDA設計精英挑戰賽”等集成電路方面的科創競賽活動，指導學生積極爭取各類競賽獎項。

在最近的一次案例教學中，我們將全國大學生集成電路創新創業大賽作為后續的綜合性設計案例，供學生自主選擇。以第五屆全國大學生集成電路創新創業大賽艾為杯賽題“具有高瞬態響應的低功耗無片外電容LDO設計”為例，具體的設計指標如表1所示。

由于課程學時有限，該賽題在案例教學中只要求學生完成前仿和PVT組合的仿真，并且為了照顧不同學生的學習興趣和學習能力，由學生自主選擇，但是在分數評定上有所傾斜。學生自主選擇情況如圖2所示，其中選擇LDO題目的學生比例最高，最終完成率也在80%以上。

在整個教學過程中，注重任務驅動式學習和課賽結合。突出以學生為中心，強調學生的主觀能動性，減少傳統灌輸式教學，增加參與式教學。將教師由傳統的教學活動主導者轉變為教學活動協助者和參與者，解決指導學生在設計過程中遇到的各種問題。在案例教學中，學生可以充分體驗實際工程設計中的完整流程，包括指標分析、電路原理圖設計、仿真優化、版圖設計、寄生參數提取、后仿真等。鼓勵學生根據設計指標選擇不同的電路拓撲結構，加強學生間的交流討論，提高學生分析問題和研發方案的能力。

三、分析與討論

由于不同學年的教學針對學生實際完成情況有所改進，所以不同學年的成績或評教無法直接相互比較。經過一學期學習，教學效果評價主要通過學生的項目實踐及實驗報告完成。在最近的一次教學實踐中，學生掌握并實現項目的情況較好，90%以上的學生認為達成了課程目標，且課程所學有助于今后的學習。針對華大九天Empyrean EDA工具進行的問卷調查顯示，其優點包括：90%學生認為界面清晰；50%學生認為操作便捷，功能多樣；其缺點在于網絡資源太少，自主學習不便。前后兩次教學中這一比例由83%下降到70%，同比下降了13%。80%學生認為該工具提供了完成實驗所必需的功能，并且運行穩定。60%學生支持繼續采用該工具，說明采用華大九天Aether EDA工具的學習遷移成本較小。

通過以上結果，說明案例教學可以提高學生分析、解決問題和設計研發的能力，做到以學生為中心，但如何針對不同水平、不同特點的學生因材施教，保證參與課程的學生能夠全員實現又是新的問題和艱巨的挑戰。針對此次教學中存在的問題和不足，后續采用如下方法進一步改進教學：（1）進一步優化教學設計，加強線上教學資源建設，便于學生利用空余時間自主學習；（2）劃分學習小組，組織學生討論、報告和展示，提高學生的參與度和主動性；（3）提供多樣化有效的教學支持，提高不同層次學生的設計能力。

結語

模擬集成電路設計是集成電路設計與集成系統專業人才培養中的關鍵一環，涉及復雜而全面的工程研發，如何通過案例教學，將之前相關課程中的知識和技能融會貫通，把抽象的理論知識和具體的工程實踐結合起來，培養學生解決集成電路復雜工程問題的能力，從而滿足用人單位的需求，是教學中的一個難題。本文依托“案例教學與課程設計Ⅱ”課程的多年教學實踐，提出了基于國產華大九天模擬電路設計全流程EDA工具的案例教學，通過項目式學習和課賽結合的方式，開展了多輪次的教學改革和實踐，并介紹了具體的實施過程和實際的教學效果。所獲得的教學數據表明，該案例教學方法能夠提高學生分析、解決問題和設計研發的能力，提高學生的獲得感和滿意度，并針對不同水平學生的主觀感受和客觀表現存在的差異，提出了多條措施進一步改進案例教學。

參考文獻

［1］中華人民共和國國家互聯網信息辦公室.工信部正式公布《國家集成電路產業發展推進綱要》［EB/OL］.（2014-06-26）［2023-05-25］.https：//www.cac.gov.cn/2014-06/26/c_1111325916.htm.

［2］馬馳遠，陳海燕，劉勝.數字集成電路課程案例教學模式的探索與實踐［J］.電氣電子教學學報，2020，42（1）：44-47.

［3］李宏杰，段德功，常盛華.面向集成電路設計的模擬電子技術教學改革探究［J］.科技風，2019（35）：46-47.

［4］章丹艷.“模擬集成電路設計”課程教學改革探索［J］.電子世界，2018（8）：67-68.

［5］廖午陽.模擬集成電路設計教學探討：實例項目方法總述［J］.科技視界，2015（25）：155.

［6］藺智挺.基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學［J］.實驗技術與管理，2016，33（1）：122-126.

［7］張鴻.淺談集成電路設計競賽對《模擬集成電路設計》課程教學的促進作用［J］.電子世界，2015（23）：59-60+62.

［8］張威，陸小飛，楊玲玲，等.從大學生集成電路設計大賽談模擬集成電路課程教學改革［J］.電子世界，2015（23）：22-23.

［9］曹超，邊棟，陳延湖，等.淺談案例教學對本科集成電路設計教學的影響［J］.科教導刊-電子版（中旬），2021（11）：162-163.

Case Teaching Research and Practice of Analog Integrated Circuits Design：

Based on Domestic EDA Tools

CAO Chao1， WANG Yong1， GUO Hai-jun2

（1. School of Integrated Circuits， Shandong University， Jinan， Shandong 250101， China; 2. School of

Information Science and Engineering， Jinan University， Jinan， Shandong 250022， China）

Abstract： The development of integrated circuit industry in China has brought a large demand for integrated circuit design talents. At present， there is a great shortage of Analog Integrated Circuit Design talents. How to respond to this urgent demand in the teaching process of undergraduate Analog Integrated Circuit Design courses in colleges and universities， better realize the integration of industry and education， and train excellent design talents who can meet the needs of industry and solve complex engineering problems is the core problem to be solved urgently in practical teaching. Relying on the case teaching courses offered by our college， through the combination of project based learning and class competition， this paper has carried out and completed the teaching reform and practice for many semesters， and formed a case teaching method of analog integrated circuit design based on domestic EDA tools. The teaching data obtained show that the use of case teaching method can improve students’ sense of achievement and satisfaction. However， for different levels of students， the effect is different. Finally， this paper puts forward some suggestions to further improve the case teaching.

Key words： case teaching; Analog Integrated Circuit Design; EDA; Empyrean Aether