“模擬集成電路設計”課程項目化教學實踐

摘要：在“模擬集成電路設計”課程項目化教學實踐與改革探索中，筆者選擇具有代表性的企業工程項目作為教學案例，從LDO電路的測試結果著手，將電路工作現象與課堂所授理論相結合，以項目為主線組織教學內容，讓學生參與項目設計全過程并有針對性地提出項目電路改進方案，大大激發了學生對該課程的學習興趣。通過項目化教學，提升了學生的專業理論知識水平與解決工程問題的實踐能力，同時提升了學生的專業認同感、職業自信等。

關鍵詞：集成電路教學；工程教育；項目化教學；課程考核

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.063

中圖分類號：G 42；TN 4 " " " " "文獻標志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-0-04

Project Based Teaching Practice of Analog Integrated Circuit Design Course

--Taking LDO Engineering Project as an Example

PENG Jianjun， LIU Bing

（Wuxi Vocational College of Science and Technology， Wuxi 214028， China）

Abstract： In the project-based teaching practice and reform exploration of the course \"Analog Integrated Circuit Design\"， representative enterprise engineering projects are selected as teaching cases. Starting from the test results of LDO circuits， the circuit working phenomena are combined with the theories taught in the classroom， and the teaching content is organized with the project as the main line， allowing students to participate in the entire process of project design and propose targeted improvement plans for project circuits， greatly stimulating students' interest in learning this course. Through project-based teaching， students' professional theoretical knowledge level and practical ability to solve engineering problems have been improved， while also enhancing their professional identity and career confidence.

Keywords： integrated circuit teaching; engineering education; project-based teaching; course assessment

時下新技術、新工藝層出不窮，如何改革教學方法以提升學生的工程創新能力，轉變一直以來重理論、輕實踐的教學方式，仍然是職業教育面臨的重要問題。“模擬集成電路設計”課程作為集成電路專業學生的專業核心課程，如何改進教學方法、推進項目化教學，提高教學目標達成度，是教學工作中值得深入研究的課題。

1 " 教學項目選取

1.1 教學改革背景

電路仿真、測試與版圖設計能力是高職院校集成電路專業的重要培養技能目標，因此相關專業核心課程不僅要重視理論教學，對教學中的工程實踐也提出了很高的要求。集成電路產業特征表明，推動技術發展的主要動力來自工程創新，前沿技術一般最早出現在產業界，因此高職院校要積極推動產學研深度融合，主動從企業一線尋找項目、借鑒經驗并應用于教學。在教學實踐中，要重視“以項目為主線”的“學中做、做中學”教學流程的建立，將新方法、新技術、新工藝、新標準快速融入人才培養全過程。

高職院校要積極推動課程建設與師資培養在企業生產一線生根發芽，不斷汲取養分，以工程實踐反哺教學。同時，通過將教育資源導入企業，高職院校、企業的科技人員合作攻關，可將實驗室合作研究成果轉化為現實生產力，推進“區校一體”的高層次發展，形成正向反饋推動機制，進一步提升項目化教學成效。在此過程中，遵循技術技能人才培養規律，堅持產業、行業、企業、職業、專業相互聯動，推進集成電路產業的產教資源集聚與協作共享。

1.2 工程項目選題

職業教育跟普通教育的主要區別就在于其目標是培養技術技能人才，將技術運用于生產過程。一方面，項目在取材時注意選擇來源于企業工程的實際開發項目，避免“紙上談兵”，尤其應當對標企業在芯片產品開發中的指標，關注電源電路工作穩定性、能效與成本，以增強產品競爭力為項目設計目標；同時，芯片采用當前主流CMOS工藝，結合課程建設需要，在教學中引入項目全流程，讓學生有機會接觸企業一線的工程項目。

正如以上所述，項目的選題要具有代表性、貼近企業生產一線，例如，LDO電路作為一種常見的供電電路，其輸出電壓的穩定性對片上系統工作的可靠性起到非常重要的作用。項目電路不僅應用廣泛，而且復雜度適中，涵蓋較多的教程知識點。當前，新型LDO的發展趨勢包括：超低功率延長電池使用壽命[1]，低至100 mV的超低壓差提高了穩壓器的工作效率，低于30 μVrm的噪聲性能小輸出電容或無輸出電容節約空間等。因此將其選取作為項目教學中典型實踐案例，對LDO電路在工作時出現鋸齒波的現象進行深入分析，基于仿真與測量數據找出問題的根源，論述改進設計方法。

2 " 項目教學分析

2.1 教學目標

在選擇教學內容時，必須重視知識內容的先進性與實用性，使學生獲取行業最新的、主流的知識從而增長工作技能，最終應用在集成電路工作崗位形成生產力。

“模擬集成電路設計”課程采用“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”的教學方法，教學項目的選取注重項目的代表性、實用性和先進性。其中，所選取的LDO電路設計項目有一定的綜合性、設計代表性，技術難度適中，設計過程清晰，便于學生實踐。該項目教學內容、目標如表1所示。

在教學實踐中應全方位、多角度宣講國內集成電路產業發展所取得的巨大成就，培養學生的家國情懷與民族榮譽感，激發學生創新意識與大國工匠精神，樹立科技報國志向。

2.2 教學設計

由課程負責人組織教研組教師共同商議編制教學計劃，學校教務與質量管理部門對其中的課程目標、授課內容、考核方式等進行審核，提升相關學科課程之間的銜接水平，提高學生對課程理論與相應實踐操作的學習興趣。“模擬集成電路設計”課程的前導課程、后續課程設置銜接得當，全面促進了學生畢業時、就業后的能力目標的培養與達成。集成電路專業課程設置如表2所示。

在多媒體課件制作、教材知識補充、配套練習題建設、實踐項目選題等方面，要結合新的教學內容探索教法并改進課程實踐。知識點依布魯姆的認知教學目標（知道、理解、應用、分析、綜合、評價）設置教學要求，在教材中補充實際電路分析、設計和仿真實踐類指導方面內容，通過從工程實踐的案例中取材，將所學課程知識相串聯，促進理論到實踐的轉化，使學生后續課程學習或者畢業后的工作體現學以致用的理念。教學內容設計也體現了“區校一體”的發展理念，探索高職院校人才培養的創新模式[2]。

在“模擬集成電路設計”課程的教學實踐中，發現對理論教學中的一些重點、難點內容，學生經常反饋在掌握上有難度，例如，“電路穩定性”的概念便是難點之一。有關“相位裕度”“極點”的運用不少學生反映難以掌握。由于學時有限，目前教學計劃中的內容已很難完成，如再補充學時，將一門課學時增加，會導致課程內容龐雜，也不利于教學。在兩級放大器結構的穩定性在設計中應當注意，可以通過相位補償，使用極點分裂電容的方法來實現，在講授中突出該電路表現出的極點、零點分布特征：包含兩個極點和一個右半平面零點，兩個放大級之間的極點由于米勒效應的影響被推到低頻端，而放大器第二級輸出節點處的極點被推至高頻端。通過在教學中對極點分裂概念的講述，結合幅度-相位曲線指出該方法對于改善電路系統穩定性的作用。仍以兩級放大器穩定性的設計為例，可以在教學內容中引入實際工程案例，把實際案例所包含的理論要點分解到教學課程中，使用電路設計案例，從工程實踐的角度出發，逐步闡述工程案例中包含的電路理論、關鍵技術。

項目設計采用PMOS作為輸出調整管，與誤差放大器、電阻分壓網絡、帶隙基準電路一起組成LDO電路。當電路啟動時，恒流源給整個電路提供偏置，基準源電壓快速建立，輸出電壓不斷上升，根據分壓原理Vout＝（R1＋R2）/R2×Vref，當輸出即將達到預定值時，分壓電阻上的反饋電壓接近于基準電壓值，此時誤差放大器將反饋電壓和基準電壓之間的誤差信號進行放大，再經調整管放大傳輸到輸出端形成負反饋，使輸出電壓不受輸入電壓和溫度變化的影響。

在課堂教學實踐中，結合課堂重要知識點，例如，負載調整率[3]知識點，制作PPT與視頻，可視化呈現電路術語，幫助學生建立直觀認識，理解調整LDO負載調整率的必要性，理解LDO電路的負載電流在大電流與小電流之間切換，輸出端的上沖、下沖電壓與負載調整率參數之間的關系表示，進而認識到負載調整率與輸出電壓波動抑制能力強弱之間聯系。在舉例中，鼓勵學生培養整體觀、大局觀，一般設計要求LDO電路有較高的低頻開環增益，但過大的低頻增益會展寬LDO電路的帶寬，將高頻寄生極點設置在單位增益頻率內，從而降低了系統的相位裕度，甚至造成系統的不穩定[4]，該分析展現了單一指標的實現，不代表系統整體功能的實現，因此產品設計與生產實踐要兼顧個體目標與全局效果間關系調整。

3 " 項目教學實踐

3.1 測試與實踐

本案例教學中結合某工程項目中的LDO電路測試案例，從多角度幫助學生深化對LDO電路穩定性的理解。例如，測試發現的現象之一是，LDO電路當負載電流約為30 μA時，輸出電壓波形上有200 kHz頻率的抖動，幅度約180 mV。如果負載電流變大到300 μA以上，該鋸齒波信號消失。組織學生觀察該現象，引導學生自主思考現象產生原因，同時提出一種假設作為對學生思考的啟發。設想“出現的振蕩是由負載調整率的影響引起，那么輸出端應有周期性的電流變化”。但是，測試發現當負載電流不變時，此振蕩信號仍然存在，鼓勵學生自行得出結論，排除此因素的影響。檢測輸出端電壓與基準值比較后的信號，利用控制MOS管的通斷來維持輸出電壓的穩定，這在工作模式上與開關電源電路在控制機理上相近[5]。

在教學中講解示波器測量LDO輸入電源電壓原理，采用預先錄制的視頻或者時域仿真圖形的方式展現，如圖1所示。PSRR反應了LDO不受電源的噪聲與電壓波動、保持輸出電壓穩定的能力。在測試中，采用穩定無波動的電源供電，發現紋波仍存在，另外給電源施以不同頻率的正弦波發現輸出電壓紋波無變化，因此排除該因素影響的可能性。

在電路案例的分析中，突出電路工作的核心特征，該電路中的開關管導通對電容器充電，當輸出電壓達到設定數值時充電停止；開關管斷開，電容器經負載電阻放電，此動態工作過程適宜采用多媒體視頻的方式來演示，讓學生直觀地觀察改變開關管的占空比以控制輸出電壓的過程，增進對這類開關電源電路的理解。

這一過程體現了CDIO（Conceiving/Designing/Implementing/Operating，構思/設計/實現/運作）的理念，通過項目化教學，讓學生體會工程實踐和電路工作理論之間的有機聯系，培養學生的創新精神與能力、自主學習能力、工程實踐能力、溝通交流與表達能力以及團隊合作精神[6]。在實驗中，充分發揮學生的主觀能動性，其中方案設計、組裝調試、設計報告均由學生獨立完成，強化學生在電路分析、實踐動手能力方面的訓練，同時為競賽選拔人才。

3.2 項目改進

項目的優化與改進是在項目實踐教學中的一項重要環節。通過項目測試發現存在的問題，鼓勵學生思考項目中提高LDO電路穩定性的方法。讓學生認識到通過合理設置電路的兩個極點位置，使電路增益下降到0 dB附近時，回路相位裕度仍比較高，電路可以保持穩定工作。根據輸出節點上的電容性負載值、兩級跨導的比值等參數，改進電路設計。不僅在課堂教學中要采用提問、隨堂測試等方式，誘導學生在課堂上主動思考，課后也要求學生完成相應項目設計和大作業。鼓勵學生分析振蕩信號產生原因，認識到現象與LDO回路相位裕度不夠大之間的聯系。在回路振蕩信號約200 kHz時；當負載電流達到毫安電流量級以上時，該低頻振蕩波形消失。在完成前仿真、版圖設計的實踐教學之后，鼓勵部分掌握程度較好的學生嘗試進行版圖規則檢查與邏輯驗證，熟悉集成電路設計的全流程操作。

3.3 總結與拓展

課堂講授LDO電路的基本工作原理與重要參數含義，培養學生在具備電路仿真、EDA軟件操作與版圖繪制能力的基礎上，適當補充拓展知識講授與練習環節，在分層教學實踐中，提高部分優秀學生的興趣與職業適應能力。理論教學階段通過理論知識的講授，目標是讓學生了解基本模塊的工作原理，這是進行集成電路設計、仿真、測試驗證過程的基礎與前提。在實踐、實訓階段，培養學生熟悉使用電路設計軟件工具與測量設備的能力，讓學生能夠具備獨立設計模塊電路的能力。

通過課堂提問、課后作業，了解學生對項目有關知識、技能掌握狀況，完成項目的基礎實驗實踐、理論講授之后，布置拓展學習內容。由于當前電路存在負載調整率問題，另外使用片外電容也要求多占用芯片引腳與電路板面積，鼓勵學生在仿真中嘗試采用無片外電容的LDO電路結構，通過調試電路參數，使負載調整率、相位裕度等參數能夠符合設計要求。

項目實踐是一次較為系統的設計方法訓練，不僅可以鞏固課堂和教材上的內容，還可以參照實際項目的工程指標，鍛煉學生的綜合設計能力，貼近企業對人才能力的實際需求。

4 " 教學評價與改進

教學考核的目的是對已完成的教學實施情況進行評價、總結，以便在后續教學中進行改進。尤其對于電路設計這種實踐性很強的課程，要采取總結性考試的方式，更應當突出過程性考核的作用。另外，對課程中的實踐環節的考核采用布置大作業形式，讓學生根據選題主動查閱文獻進行設計，發揮學生的主觀能動性。

在學生情況調查中發現存在一些問題：多數學生認為講授的理論與實習、工作中的工程項目存在差距，在校期間只有少數學生在課后與工程項目設計有接觸，很少有學生主動聯系教師去討論工程實踐問題，普遍存在缺乏探究鉆研精神的現象。為了糾正學生中存在的這種風氣，通過研究項目化教學，以提高學生在學習、實踐中的興趣、參與度上發揮的作用。從測驗成績分布來看，學生的學習興趣、對知識的掌握等方面有了較大提高。

為此，在“模擬集成電路設計”課程的教學實踐中，任課教師從多方面著手努力提升培養實效。教學班建立課程QQ群，學生在課程中遇到困難時可以更方便地聯系教師提問，教師每周安排固定時間在教研室、課程QQ群為學生做輔導答疑，每次課程開始之前在群里發布預習指南，每個章節結束都做總結，對出現的普遍性問題及時反饋等，在教師、學生雙方教學互動中形成正向的相互促進作用。

在崗位實習階段，主動選擇企業規模較大，崗位職責難度較高的集成電路設計、版圖設計類崗位的學生比例明顯提高。可見，學生對專業學習和從事集成電路相關工作的信心在顯著提升。

5 " 結束語

在“模擬集成電路設計”課程的教學改革中，以工程需求為導向，以參考企業的設計和驗證流程為主線進行閉環式教學。采用來源于企業的實踐項目，以LDO電路設計項目為例，將企業實踐項目引入教學。基于對于測試發現的問題分析，對電路參數分析器件的工作狀態，鼓勵學生對于多種可能導致測試問題的因素逐次分析找到主要原因，動員學生參與電路改進設計、仿真與測試的全過程。實踐證明，目化教學能夠提高學生的參與度，開發學生潛力、提高學生自主學習積極性，教學數據顯示了這種方法對教學的正向促進作用。在下一步的教學中，筆者將繼續積極研究項目化教學方法的改進，探索高職院校培養能力與社會需求相匹配的工程人才的新路徑。

參考文獻

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