“模拟集成电路设计”案例教学研究与实践

［摘 要］ 随着我国集成电路产业的发展，急需大量集成电路设计类人才，如何解决这一紧迫的需求，更好地实现产教融合，培养优秀的、能够适应产业需求、解决复杂工程问题的设计类人才，是高校“模拟集成电路设计”课程本科教学中亟待解决的核心问题。依托所在学院开设的案例教学类课程，通过项目式学习和课赛结合的方式，形成了基于国产EDA工具的模拟集成电路设计案例教学方法，开展并完成了多个学期的教学改革和实践。教学数据表明，案例教学方法可显著提高学生的获得感和满意度。但对于不同水平的学生，效果存在一定的差异。基于此，提出了进一步改进案例教学的三点建议。

［关键词］ 案例教学；模拟集成电路设计；EDA；Empyrean Aether

［基金项目］ 2021—2023年山东大学教学研究课题“基于国产EDA工具集成电路设计案例实践教学研究”（2021Y052）；2019年度教育部第二批产学合作协同育人项目“基于华大九天EDA集成电路设计案例教学”（201902024010）

［作者简介］ 曹 超（1988—），男，山西朔州人，博士，山东大学集成电路学院助理研究员，主要从事模拟IC设计研究；王 永（1972—），男，山东烟台人，博士，山东大学集成电路学院教授，主要从事集成电路设计研究；郭海君（1991—），女，山东聊城人，博士，济南大学信息科学与工程学院讲师，主要从事集成电路设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）33-0063-04 ［收稿日期］ 2023-06-25

引言

《国家集成电路产业发展推进纲要》中提出，集成电路产业是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业［1］。首先是人才供需失衡问题。其次是师资与实训条件不足，教学软硬件资源缺乏，导致产教环节部分脱节，造成了岗位和能力之间的结构性错配。这些都对高校集成电路设计人才的培养提出了严峻的挑战。

北京华大九天软件有限公司（“华大九天”）成立于2009年，该公司研发了Empyrean EDA工具，提供了从电路到版图完整解决方案。采用国产EDA工具，可降低高校的EDA软件投入费用，解决产教脱节的问题。

本文依托山东大学国家示范性微电子学院国家一流本科专业集成电路设计与集成系统培养方案中的“案例教学与课程设计Ⅱ”课程，基于“模拟集成电路设计”课程，主要内容为典型模拟集成电路模块或系统的设计，包括电路原理图设计、仿真、版图设计、寄生参数提取和后仿真等设计全流程。依托华大九天模拟集成电路设计全流程EDA工具开展实践教学，采用项目设计案例为主，配合理论讲授答疑等的教学方法，同时采用课赛结合的方式。最后，在多轮次的教学过程中，根据考查情况，对该教学方法的成效进行了讨论和分析。

一、教学现状分析

“模拟集成电路设计”是当前国内各大高校集成电路设计与集成系统专业的必修课程。为进一步提高巩固教学质量，山东大学微电子学院开设了“案例教学与课程设计Ⅱ”作为实践类提高课程。该课程依托实际工程案例，要求学生熟练掌握集成电路设计流程，培养学生的工程设计研发能力。本文首先调研了已有的同类教学研究文献。马驰远等［2］在研究生课程中提出了基于真实工程项目设计的案例式教学方法，开展了历时三年的教学改革研究与实践，说明了该方法对学生综合能力培养的好处；李宏杰等［3］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等仿真软件对理论知识建模和仿真分析，加深对理论知识的理解；章丹艳［4］围绕课程内容和教学手段，提出了一种设计类课程的教学改革方案与措施，取得了良好的效果；廖午阳［5］提出了一种实例教学法，旨在帮助学生有效地理解模拟集成电路设计，激发学习兴趣，掌握就业技能；蔺智挺［6］探索了项目教学法在实际教学中的应用。

近几年，全国大学生集成电路创新创业大赛（大学生集成电路设计大赛）、集成电路EDA设计精英挑战赛、集成电路设计与应用赛项等集成电路相关的大学生比赛活动开展得如火如荼。张鸿［7］探索了如何利用集成电路设计大赛促使学生加深理论理解，提高设计能力，推动创新；张威等［8］从学生参加集成电路设计大赛所具备的能力要求出发，对模拟集成电路课程教学进行改革，主要包括课程体系、教学方法、实践环节和“双师型”教学团队建设；曹超等［9］进行了一学期的教学改革和实践，形成了一种基于国产EDA工具的模拟集成电路设计案例教学方法。

上述文献从案例研究、考核方法和课赛结合等多个维度探索了针对集成电路设计课程的教学改革，本文将在此基础上针对本课程特点做进一步的教学探讨。

二、课程设计

本文采用的教学改革依托山东大学国家示范性微电子学院集成电路设计与集成系统专业的“案例教学与课程设计Ⅱ”课程，开展了3个学期的案例教学实践。“案例教学与课程设计Ⅱ”为专业选修课，授课对象为2017—2019级集成电路设计与集成系统专业本科生，共64学时。在多轮次的教学实践中逐渐摸索形成了如图1所示的案例教学实践流程。

在课程教学中，一是注重“模拟集成电路基础”“模拟集成电路基础实验”“案例教学和课程设计Ⅱ”等相关课程的联系，以课组为单位加强不同课程任课教师之间的沟通，修订相关课程的教学大纲，优化前后课程衔接关系。在各个模块教学中，将理论教学和EDA仿真实验相结合，开展演示性实验、验证性实验，以实验结果解释验证理论知识，帮助学生初步了解常见的EDA工具、电路仿真类型、电路设计方法流程等基础知识。二是通过线下课程讲授与线上部分资源结合的方式，介绍华大九天模拟集成电路设计全流程EDA工具的使用技巧，开展国产华大九天EDA工具培训，帮助学生学习和了解EDA工具模拟集成电路设计全流程相应的操作方法；为做好与前序课程的衔接，降低学生的学习门槛，在本课程的案例教学中首先选择两级运算放大器的设计作为模拟项目，要求学生从原理图到版图的每个设计环节完成对应功能模块的设计，掌握正向设计的思路，通过查找资料、交流讨论等方式解决设计中遇到的复杂工程问题，逐步推进最终完成整体项目设计。在后续的教学设计中，针对连续时间模拟集成电路，选择从运算放大器（Operation Amplifier，OPA）到带隙基准（Bandgap Reference，BGR）再到低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）循序渐进的案例教学顺序。最终完成案例教学，掌握模拟集成电路设计全流程。三是开展课赛结合。首先将往届竞赛题目用于模拟项目及教学案例中，激发学生学习兴趣和成就感。组织学生组队参加“全国大学生集成电路创新创业大赛”“集成电路EDA设计精英挑战赛”等集成电路方面的科创竞赛活动，指导学生积极争取各类竞赛奖项。

在最近的一次案例教学中，我们将全国大学生集成电路创新创业大赛作为后续的综合性设计案例，供学生自主选择。以第五届全国大学生集成电路创新创业大赛艾为杯赛题“具有高瞬态响应的低功耗无片外电容LDO设计”为例，具体的设计指标如表1所示。

由于课程学时有限，该赛题在案例教学中只要求学生完成前仿和PVT组合的仿真，并且为了照顾不同学生的学习兴趣和学习能力，由学生自主选择，但是在分数评定上有所倾斜。学生自主选择情况如图2所示，其中选择LDO题目的学生比例最高，最终完成率也在80%以上。

在整个教学过程中，注重任务驱动式学习和课赛结合。突出以学生为中心，强调学生的主观能动性，减少传统灌输式教学，增加参与式教学。将教师由传统的教学活动主导者转变为教学活动协助者和参与者，解决指导学生在设计过程中遇到的各种问题。在案例教学中，学生可以充分体验实际工程设计中的完整流程，包括指标分析、电路原理图设计、仿真优化、版图设计、寄生参数提取、后仿真等。鼓励学生根据设计指标选择不同的电路拓扑结构，加强学生间的交流讨论，提高学生分析问题和研发方案的能力。

三、分析与讨论

由于不同学年的教学针对学生实际完成情况有所改进，所以不同学年的成绩或评教无法直接相互比较。经过一学期学习，教学效果评价主要通过学生的项目实践及实验报告完成。在最近的一次教学实践中，学生掌握并实现项目的情况较好，90%以上的学生认为达成了课程目标，且课程所学有助于今后的学习。针对华大九天Empyrean EDA工具进行的问卷调查显示，其优点包括：90%学生认为界面清晰；50%学生认为操作便捷，功能多样；其缺点在于网络资源太少，自主学习不便。前后两次教学中这一比例由83%下降到70%，同比下降了13%。80%学生认为该工具提供了完成实验所必需的功能，并且运行稳定。60%学生支持继续采用该工具，说明采用华大九天Aether EDA工具的学习迁移成本较小。

通过以上结果，说明案例教学可以提高学生分析、解决问题和设计研发的能力，做到以学生为中心，但如何针对不同水平、不同特点的学生因材施教，保证参与课程的学生能够全员实现又是新的问题和艰巨的挑战。针对此次教学中存在的问题和不足，后续采用如下方法进一步改进教学：（1）进一步优化教学设计，加强线上教学资源建设，便于学生利用空余时间自主学习；（2）划分学习小组，组织学生讨论、报告和展示，提高学生的参与度和主动性；（3）提供多样化有效的教学支持，提高不同层次学生的设计能力。

结语

模拟集成电路设计是集成电路设计与集成系统专业人才培养中的关键一环，涉及复杂而全面的工程研发，如何通过案例教学，将之前相关课程中的知识和技能融会贯通，把抽象的理论知识和具体的工程实践结合起来，培养学生解决集成电路复杂工程问题的能力，从而满足用人单位的需求，是教学中的一个难题。本文依托“案例教学与课程设计Ⅱ”课程的多年教学实践，提出了基于国产华大九天模拟电路设计全流程EDA工具的案例教学，通过项目式学习和课赛结合的方式，开展了多轮次的教学改革和实践，并介绍了具体的实施过程和实际的教学效果。所获得的教学数据表明，该案例教学方法能够提高学生分析、解决问题和设计研发的能力，提高学生的获得感和满意度，并针对不同水平学生的主观感受和客观表现存在的差异，提出了多条措施进一步改进案例教学。

参考文献

［1］中华人民共和国国家互联网信息办公室.工信部正式公布《国家集成电路产业发展推进纲要》［EB/OL］.（2014-06-26）［2023-05-25］.https：//www.cac.gov.cn/2014-06/26/c_1111325916.htm.

［2］马驰远，陈海燕，刘胜.数字集成电路课程案例教学模式的探索与实践［J］.电气电子教学学报，2020，42（1）：44-47.

［3］李宏杰，段德功，常盛华.面向集成电路设计的模拟电子技术教学改革探究［J］.科技风，2019（35）：46-47.

［4］章丹艳.“模拟集成电路设计”课程教学改革探索［J］.电子世界，2018（8）：67-68.

［5］廖午阳.模拟集成电路设计教学探讨：实例项目方法总述［J］.科技视界，2015（25）：155.

［6］蔺智挺.基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学［J］.实验技术与管理，2016，33（1）：122-126.

［7］张鸿.浅谈集成电路设计竞赛对《模拟集成电路设计》课程教学的促进作用［J］.电子世界，2015（23）：59-60+62.

［8］张威，陆小飞，杨玲玲，等.从大学生集成电路设计大赛谈模拟集成电路课程教学改革［J］.电子世界，2015（23）：22-23.

［9］曹超，边栋，陈延湖，等.浅谈案例教学对本科集成电路设计教学的影响［J］.科教导刊-电子版（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）