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集成电路设计教学改革探究

验证模拟电子技术是一门所有电类工科专业必修的专业基础课[1],学生通过该课程的学习可以掌握半导体物理器件、单级和多级放大电路、集成运算器、稳压电源等知识,为后续微机原理应用、单片机技术、高频电子技术等专业课程学习做好知识铺垫[2]。然而,传统的模拟电子技术教学以课本理论公式讲授推导为主,以采用模拟实验箱或实验台的验证性实验为辅,具有物理概念抽象、分析方法复杂、动手设计困难等特点[3]。因此,学生普遍反映该课程学习起来困难,考试通过率不高,学习兴趣不足。随着我国国民经济的不断发展,集成电路行业已经被视为与钢铁和石油工业同等重要的、具有战略意义的国家命脉行业,其技术水平和产业规模已经成为衡量一个国家经济发展、技术进步、工业先进、国防实力的重要标志[4]。特别是在“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”的新时代工科建设背景下[5],如何培养出优秀的适合集成电路行业需求的大学本科毕业生已经成为了各本科院校亟待解决的问题。为了培养学生的集成电路设计能力,提高学生对于电子科学与技术专业的认同度和兴趣感,本文探究了一种面向集成电路设计的模拟电子技术教学改革方法,使用Cadence和HSPICE仿真软件对模拟电子技术课本中的典型电路进行仿真分析,进而验证其理论的正确性。

1传统模拟电子技术教学

1.1传统模拟电子技术理论教学模式。传统的模拟电子技术理论教学采用教师课堂知识灌输形式,即教师通过板书和PPT的方式在课堂上给学生讲授推导书本中的理论公式,通过已学的知识来推导和验证新的理论和公式[6]。例如在学习第二章“基本放大电路”时,教师是通过图解法和微变等效电路法来推导放大电路的静态工作点和交流电压增压。图1为采用图解法求解的单管共射电路,图中通过虚线把晶体管和外围电路分开,当输入信号ΔUI为0时,在晶体管的输入回路中既应该满足输入特性曲线,又应满足外围电路参数,因此:UBE=VBB-iBRb(1)图2为单管共射电路的输入特性曲线,由1式可以确定图中的输入回路负载线,其中斜率为-1/Rb,输入回路负载线与输入特向曲线的交点Q就是电路的静态工作点。图3为单管共射电路的输出特性曲线,与输入回路一样,在输出特性曲线中静态工作点既应在IB=IBQ曲线上,又应满足外围电路特性:UCE=VCC-iCRC(2)由2式可以确定图3中的负载线,其中负载线的斜率为-1/RC,IB=IBQ与输出特性曲线的交点即为静态工作点Q,其纵坐标值为ICQ,横坐标值为UCEQ。通过图解法可以求出单管共射电路的静态工作点Q,采用微变等效电路法可以求解电路的H参数,计算电路的电压增益、输入电阻和输出电阻等[7]。同样,集成运算放大电路、放大电路的频率响应、波形的发生和信号转换等章节都是采用传统的公式推导法来向学生讲解的。传统的模拟电子技术理论教学虽然可以使学生掌握课本中的基本概念和定理,但是繁杂的64物理概念以及抽象的公式推导过程往往让学生感觉到入门难、理解难、掌握难,仅仅依靠课堂理论灌输的教学模式就成为了一种“空对空”的教学模式[8]。1.2传统模拟电子技术实验教学模式。传统模拟电子技术实验教学主要采用模拟实验箱或模拟实验台模式,即学生通过导线插针在现有的实验箱或实验台上连接各种电子元器件或模块来搭建模拟电路的方式[9]。传统模拟电子技术实验教学模式虽然可以通过现有的模拟实验箱或实验台验证课本理论,较为灵活的设计简单模拟电路。但是,传统的模拟电子技术实验教学模式存在诸多缺点:(1)传统的模拟实验箱或实验台一般采用导线插针方式,在实验过程中容易发生插针折断堵塞插孔情况,影响设备德正常使用。(2)随着机箱设备的老化,设备内部经常出现导线或底座虚断、接触不良等情况,造成实验结果的失真。(3)由于传统实验箱或实验台采用模块集成方式,一般只包含了课内验证实验模块,难以激发学生的发散思维和创新能力。

2面向集成电路设计的模拟电子技术教学

2.1面向集成电路设计的模拟电子技术理论教学模式。面向集成电路设计的模拟电子技术在理论教学上采用“工程向导法”的教学思路,首先由教师结合生活实例提出一个具体的工程问题,让学生知道所学知识可以使用到日常生活中去,进而激发学生的学习热情。然后教师采用传统的教学方式,通过课堂讲授向学生传输工程项目所需的理论知识和定理,与传统理论课堂教学模式相比,面向集成电路设计的课堂理论教学在知识点讲授上按照“知识链”模式,即教师在教学内容安排上不再按照传统知识章节的顺序,而是以工程项目为导向,把做工程项目所需的知识点串在一起讲解。以设计“集成运算放大器”为例,集成运算放大器一般包括:偏置电流产生电路、差分输入放大电路、中间放大电路、功率放大电路四部分模块电路组成[10]。因此教师在课程内容安排上首先讲解偏置电流产生电路和电流复制电路,可以通过电流镜和微电流源的工作原理来讲解。然后讲解差分输入放大电路,通过差分输入放大电路的电路结构以及如何提高电路的共模抑制比为出发点进行讲解。接着讲解单级放大电路和多级放大电路的电压放大原理,最后讲解功率放大电路,主要向学生讲解功率放大电路如何提高电路的带负载能力。这样学生具备了基础知识之后就可以动手设计运算放大电路。在向学生讲解设计工程项目所需的基础知识之后,教师再引导学生学习设计模拟集成电路所用到的EDA(ElectronicDesignAutomation)软件,这里以在模拟集成电路设计行业被广泛使用的EDA软件Cadence和HSPICE为例。由于Cadence是在Linux操作环境下运行的,因此教师首先给学生讲授简单的Linux操作环境和基础指令,使学生能够初步掌握Cadence的运行方法,接着教师引导学生在Cadence中进行工程项目的原理图设计,最后使用Cadence把所设计的电路网表文件导入到HSPICE软件中进行参数仿真。使用HSPICE可以对所设计电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析以及蒙特卡罗最坏情况分析等。2.2面向集成电路设计的模拟电子技术实验教学模式。面向集成电路设计的模拟电子技术实验教学采用“教师引导,学生开放设计”的教学模式。教师以“大作业”形式每学期给学生布置5~6道实验课题,制定好项目参数。学生课下搜集项目资料,自主设计电路架构并且进行仿真验证,最后提交项目结项报告。通过学生设计的电路参数是否达标以及结项报告的内容完整性给成合理的评判成绩。图5为指导学生设计的基于CMOS工艺库的运算放大器原理图,共分为三级:偏置电流产生电路、输入级差分放大电路、中间级放大电路。学生把原理图输入到Cadence中可以生成电路参数网表,再使用HSPICE仿真软件进行参数调试。最终可以仿真电路的开环增益、输入共模抑制比、电源抑制比等参数。

3结语

本文提出了一种面向集成电路设计的模拟电子技术教学改革,分别对传统模拟电子技术的理论教学模式和实验教学模式进行改革,探究了基于“工程导向法”和“大作业”形式的新型教学实验方法,使用集成电路业界被广泛使用的Cadence和HSPICE作为设计和仿真工具进行理论和实验教学。通过该教学改革探究,可以帮助学生更加深入的理解和掌握模拟电子技术知识,激发学生的学习兴趣,培养学生的创新能力和集成电路设计能力,为今后从事模拟集成电路设计或制造打牢基础。

作者:李宏杰 段德功 常盛华 单位:安阳工学院电子信息与电气工程学院

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