集成电路设计原理范文

导语：如何才能写好一篇集成电路设计原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：集成电路工艺原理；教学内容；教学方法

作者简介：汤乃云（1976-），女，江苏盐城人，上海电力学院电子科学与技术系，副教授。（上海?200090）

基金项目：本文系上海自然科学基金（B10ZR1412400）、上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（10110502200）资助的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0046-01

微电子产业的快速发展急需大量的高质量集成电路人才。优秀的集成电路设计工程师需要具备一定工艺基础，集成电路工艺设计和操作人员更需要熟悉工艺原理及技术，以便获得性能优越、良率高的集成电路芯片。因此“集成电路工艺原理”是微电子专业、电子科学与技术专业和其他相关专业一门重要的专业课程，其主要内容是介绍VLSI制造的主要工艺方法与原理，培养学生掌握半导体关键工艺方法及其原理，熟悉集成电路芯片制作的工艺流程，并具有一定工艺设计及分析、解决工艺问题的能力。课程的实践性、技术性很强，需要大量的实践课程作为补充。但是超大规模集成电路的制造设备价格昂贵，环境条件要求苛刻，运转与维护费用很大，国内仅有几所大学拥有供科研、教学用的集成电路工艺线或工艺试验线，很多高校开设的实验课程仅为最基本的半导体平面工艺实验，仅可以实现氧化、扩散、光刻和淀积等单步工艺，而部分学校仅能开设工艺原理理论课程。所以，如何在理论教学的模式下，理论联系实践、提高教学质量，通过课程建设和教学改革，改善集成电路工艺原理课程的教学效果是必要的。如何利用多种可能的方法开展工艺实验的教学、加强对本专业学生科学实验能力和实际工作能力以及专业素质的培养、提高微电子工艺课程的教学质量，是教师所面临的紧迫问题。

一、循序渐进，有增有减，科学安排教学内容

1.选择优秀教材

集成电路的复杂性一直以指数增长的速度不断增加，同时国内的集成电路工艺技术与发达国家和地区差距较大，故首先考虑选用引进的优秀国外教材。本课程首选教材是国外电子与通信教材系列中美国James D.Plummer著的《硅超大规模集成电路工艺技术—理论、实践与模型》中文翻译本。这本教材的内容丰富、全面介绍了集成电路制造过程中的各工艺步骤；同时技术先进，该书包含了集成电路工艺中一些前沿技术，如用于亚0.125μm工艺的最新技术、浅槽隔离以及双大马士革等工艺。另外，该书与其他硅集成电路工艺技术的教科书相比，具有显著的两个优点：其一是在书中第一章就介绍了一个完整的工艺过程。在教学过程中，一开始就对整个芯片的全部制造过程进行全面的介绍，有且与学生正确建立有关后续章节中将要讨论的各个不同的特定工艺步骤之间的相互联系；其二是贯穿全书的从实际工艺中提取的“活性”成分及工艺设计模拟实例。这些模拟实例有助于清楚地显示如氧化层的生长过程、掺杂剂的浓度分布情况或薄膜淀积的厚度等工艺参数随着时间推进的发展变化，有助于学生真正认识和理解各种不同工艺步骤之间极其复杂的相互作用和影响。同时通过对这些模拟工具的学习和使用，有助于理论联系实际，提高实践教学效果。因而本教材是一本全面、先进和可读性强的专业书籍。

2.科学安排教学内容

如前所述，本课程的目的是使学生掌握半导体芯片制造的工艺和基本原理，并具有一定的工艺设计和分析能力。本课程仅32学时，而教材分11章，共602页，所以课堂授课内容需要精心选择。一方面，选择性地使用教材内容。对非关键工艺，如第1章的半导体器件，如PN二极管、双极型晶体管等知识已经在前续基础课程“半导体物理2”和“半导体器件3”中详细介绍，所以在课堂上不进行讲授。另一方面，合理安排教材内容的讲授次序。教材在讲授晶片清洗后即进入光刻内容，考虑工艺流程的顺序进行教学更有利于学生理解，没有按照教条的章节顺序，教学内容改变为按照清洗、氧化、扩散、离子注入、光刻、薄膜淀积、刻蚀、后端工艺、工艺集成等顺序进行。

另一方面，关注集成电路工艺的最新进展，及时将目前先进、主流的工艺技术融入课程教学中，如在课堂教学中介绍INTEL公司即将投产的采用了22nm工艺的代号为“Ivy Bridge”的处理器等。同时，积极邀请企业工程师或专家开展专题报告，将课程教学和行业工艺技术紧密结合，提高学生的积极性及主动性，提高教学效果。

3.引导自主学习

半导体产业正飞速发展，需要随时跟踪集成电路制造工艺的发展动态、技术前沿以及遇到的挑战，给学生布置若干集成电路工艺发展前沿与技术动态相关的专题，让学生自行查阅、整理资料，每一专题选派同学在课堂上给大家讲解。例如，在第一章讲解集成电路工艺发展历史时，要求同学前往国际半导体产业规划网站，阅读最新年份的国际半导体技术发展路线图，完成如最小特征指标、工作电压等相关技术指数的整理并作图说明发展趋势等。这样一方面激发了学生的求知欲，另一方面培养学生自我学习提高专业知识的能力。

二、丰富教学手段，进行多样化、形象化教学

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关键词：集成电路设计；版图；CMOS

作者简介：毛剑波（1970-），男，江苏句容人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，副教授；汪涛（1981-），男，河南商城人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，讲师。（安徽?合肥?230009）

基金项目：本文系安徽省高校教研项目（项目编号：20100115）、省级特色专业项目（项目编号：20100062）的研究成果。

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0052-02

集成电路（Integrated Circuit）产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是新一代信息技术产业发展的核心和关键，对其他产业的发展具有巨大的支撑作用。经过30多年的发展，我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局，产业链基本形成。但与国际先进水平相比，我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题。在集成电路产业中，集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂。而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业，集成电路设计人才严重匮乏，已成为制约行业发展的瓶颈。因此，培养大量高水平的集成电路设计人才，是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题，也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战。[1-4]

一、集成电路版图设计软件平台

为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要，合肥工业大学（以下简称“我校”）从2005年起借助于大学计划，和美国Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、华大电子等公司合作建立了EDA实验室，配备了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni设计系统等EDA软件。我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程，如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计、ASIC设计方法、硬件描述语言等。同时对课程体系进行了修订，注意相关课程之间相互衔接，关键内容不遗漏，突出集成电路设计能力的培养，通过对课程内容的精选、重组和充实，结合实验教学环节的开展，构成了系统的集成电路设计教学过程。[5，6]

集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全定制（full custom）、半定制（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可编程器件设计。全定制集成电路设计，特别是其后端的版图设计，涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论，这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向，目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础。

在集成电路版图设计的教学中，采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统（Zeni EDA System），这是中国唯一的具有自主知识产权的EDA工具软件。该软件与国际上流行的EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优，已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能，并成功开发出了许多实用的集成电路芯片。

九天EDA软件系统包括ZeniDM（Design Management）设计管理器，ZeniSE（Schematic Editor）原理图编辑器，ZeniPDT（physical design tool）版图编辑工具，ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版图验证工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）层次版图设计规则检查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生参数提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信号完整性分析工具等几个主要模块，实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程。

二、集成电路版图设计的教学目标

根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点，在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程。

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一、完善课程设置

合理设置课程体系和课程内容，是提高人才培养水平的关键。2009年，黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业制定了该专业的课程体系，经过这几年教学工作的开展与施行，发现仍存在一些不足之处，于是在2014年黑龙江大学开展的教学计划及人才培养方案的修订工作中进行了再次的改进和完善。首先，在课程设置与课时安排上进行适当的调整。对于部分课程调整其所开设的学期及课时安排，不同课程中内容重叠的章节或相关性较大的部分可进行适当删减或融合。如：在原来的课程设置中，“数字集成电路设计”课程与“CMOS模拟集成电路设计”课程分别设置在教学第六学期和第七学期。由于“数字集成电路设计”课程中是以门级电路设计为基础，所以学生在未进行模拟集成电路课程的讲授前，对于各种元器件的基本结构、特性、工作原理、基本参数、工艺和版图等这些基础知识都是一知半解，因此对门级电路的整体设计分析难以理解和掌握，会影响学生的学习热情及教学效果；而若在“数字集成电路设计”课程中添加入相关知识，与“CMOS模拟集成电路设计”课程中本应有的器件、工艺和版图的相关内容又会出现重叠。在调整后的课程设置中，先开设了“CMOS模拟集成电路设计”课程，将器件、工艺和版图的基础知识首先进行讲授，令学生对于各器件在电路中所起的作用及特性能够熟悉了解；在随后“数字集成电路设计”课程的学习中，对于应用各器件进行电路构建时会更加得心应手，达到较好的教学效果，同时也避免了内容重复讲授的问题。此外，这样的课程设置安排，将有利于本科生在“大学生集成电路设计大赛”的参与和竞争，避免因学期课程的设置问题，导致学生还未深入地接触学习相关的理论课程及实验课程，从而出现理论知识储备不足、实践操作不熟练等种种情况，致使影响到参赛过程的发挥。调整课程安排后，本科生通过秋季学期中基础理论知识的学习以及实践操作能力的锻炼，在参与春季大赛时能够确保拥有足够的理论知识和实践经验，具有较充足的参赛准备，通过团队合作较好地完成大赛的各项环节，赢取良好赛果，为学校、学院及个人争得荣誉，收获宝贵的参赛经验。其次，适当降低理论课难度，将教学重点放在掌握集成电路设计及分析方法上，而不是让复杂烦琐的公式推导削弱了学生的学习兴趣，让学生能够较好地理解和掌握集成电路设计的方法和流程。第三，在选择优秀国内外教材进行教学的同时，从科研前沿、新兴产品及技术、行业需求等方面提取教学内容，激发学生的学习兴趣，实时了解前沿动态，使学生能够积极主动地学习。

二、变革教学理念与模式

CDIO（构思、设计、实施、运行）理念，是目前国内外各高校开始提出的新型教育理念，将工程创新教育结合课程教学模式，旨在缓解高校人才培养模式与企业人才需求的冲突。在实际教学过程中，结合黑龙江大学集成电路设计与集成系统专业的“数模混合集成电路设计”课程，基于“逐次逼近型模数转换器（SARADC）”的课题项目开展教学内容，将各个独立分散的模拟或数字电路模块的设计进行有机串联，使之成为具有连贯性的课题实践内容。在教学周期内，以学生为主体、教师为引导的教学模式，令学生“做中学”，让学生有目的地将理论切实应用于实践中，完成“构思、设计、实践和验证”的整体流程，使学生系统地掌握集成电路全定制方案的具体实施方法及设计操作流程。同时，通过以小组为单位，进行团队合作，在组内或组间的相互交流与学习中，相互促进提高，培养学生善于思考、发现问题及解决问题的能力，锻炼学生团队工作的能力及创新能力，并可以通过对新结构、新想法进行不同程度奖励加分的形式以激发学生的积极性和创新力。此外，该门课程的考核形式也不同，不是通过以往的试卷笔试形式来确定学生得分，而是以毕业论文的撰写要求，令每一组提供一份完整翔实的数据报告，锻炼学生撰写论文、数据整理的能力，为接下来学期中的毕业设计打下一定的基础。而对于教师的要求，不仅要有扎实的理论基础还应具备丰富的实践经验，因此青年教师要不断提高专业能力和素质。可通过参加研讨会、专业讲座、企业实习、项目合作等途径分享和学习实践经验，同时还应定期邀请校外专家或专业工程师进行集成电路方面的专业座谈、学术交流、技术培训等，进行教学及实践的指导。

三、加强EDA实践教学

首先，根据企业的技术需求，引进目前使用的主流EDA工具软件，让学生在就业前就可以熟练掌握应用，将工程实际和实验教学紧密联系，积累经验的同时增加学生就业及继续深造的机会，为今后竞争打下良好的基础。2009—2015年，黑龙江大学先后引进数字集成电路设计平台Xilinx和FPGA实验箱、华大九天开发的全定制集成电路EDA设计工具Aether以及Synopsys公司的EDA设计工具等，最大可能地满足在校本科生和研究生的学习和科研。而面对目前学生人数众多但实验教学资源相对不足的情况，如果可以借助黑龙江大学的校园网进行网络集成电路设计平台的搭建，实现远程登录，则在一定程度上可以满足学生在课后进行自主学习的需要。其次，根据企业岗位的需求可合理安排EDA实践教学内容，适当增加实践课程的学时。如通过运算放大器、差分放大器、采样电路、比较器电路、DAC、逻辑门电路、有限状态机、分频器、数显键盘控制等各种类型电路模块的设计和仿真分析，令学生掌握数字、模拟、数模混合集成电路的设计方法及流程，在了解企业对于数字、模拟、数模混合集成电路设计以及版图设计等岗位要求的基础上，有针对性地进行模块课程的学习与实践操作的锻炼，使学生对于相关的EDA实践内容真正融会贯通，为今后就业做好充足的准备。第三，根据集成电路设计本科理论课程的教学内容，以各应用软件为基础，结合多媒体的教学方法，选取结合于理论课程内容的实例，制定和编写相应内容的实验课件及操作流程手册，如黑龙江大学的“CMOS模拟集成电路设计”和“数字集成电路设计”课程，都已制定了比较详尽的实践手册及实验内容课件；通过网络平台，使学生能够更加方便地分享教学资源并充分利用资源随时随地地学习。

四、搭建校企合作平台

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【关键词】集成电路 理论教学 改革探索

【基金项目】湖南省自然科学基金项目（14JJ6040）;湖南工程学院博士启动基金。

【中图分类号】G642.3 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0255-01

随着科学技术的不断进步，电子产品向着智能化、小型化和低功耗发展。集成电路技术的不断进步，推动着计算机等电子产品的不断更新换代，同时也推动着整个信息产业的发展[1]。因此，对集成电路相关人才的需求也日益增加。目前国内不仅仅985、211等重点院校开设了集成电路相关课程，一些普通本科院校也开设了相关课程。课程的教学内容由单纯的器件物理转变为包含模拟集成电路、数字集成电路、集成电路工艺、集成电路封装与测试等[2]。随着本科毕业生就业压力的不断增加，培养应用型、创新型以及可发展型的本科人才显得日益重要。然而，从目前我国各普通院校对集成电路的课程设置来看，存在着重传统轻前沿、不因校施教、不因材施教等问题，进而导致学生对集成电路敬而远之，退避三舍，学习积极性不高，继而导致学生的可发展性不好，不能适应企业的要求。

本文结合湖南工程学院电气信息学院电子科学与技术专业的实际，详细阐述了本校当前“集成电路原理与应用”课程理论教学中存在的问题，介绍了该课程的教学改革措施，旨在提高本校及各兄弟院校电子科学与技术专业学生的专业兴趣，培养学生的创新意识。

1.“集成电路原理与应用”课程理论教学存在的主要问题

1.1理论性强，课时较少

对于集成电路来说，在讲解之前，学生应该已经学习了以下课程，如：“固体物理”、“半导体物理”、“晶体管原理”等。但是，由于这些课程的理论性较强，公式较多，要求学生的数学功底要好。这对于数学不是很好的学生来说，就直接导致了其学习兴趣降低。由于目前嵌入式就业前景比较好，在我们学校，电子科学与技术专业的学生更喜欢嵌入式方面的相关课程。而集成电路相关企业更喜欢研究生或者实验条件更好的985、211高校的毕业生，使得我校集成电路方向的本科毕业生找到相关的较好工作比较困难。因此，目前我校电子科学与技术专业的发展方向定位为嵌入式，这就导致一些跟集成电路相关的课程，如“微电子工艺”、“晶体管原理”、“半导体物理”等课程都取消掉了，而仅仅保留了“模拟电子技术”和“数字电子技术”这两门基础课程。这对于集成电路课程的讲授更增加了难度。“集成电路原理与应用”课程只有56课时，理论课46课时，实验课10课时。只讲授教材上的内容，没有基础知识的积累，就像空中架房，没有根基。在教材的基础上额外再讲授基础知识的话，课时又远远不够。这就导致老师讲不透，学生听不懂，效果很不好。

1.2重传统知识，轻科技前沿

利用经典案例来进行课程教学是夯实集成电路基础的有效手段。但是对于集成电路来说，由于其更新换代的速度非常快，故在进行教学时，除了采用经典案例来夯实基础外，还需紧扣产业的发展前沿。只有这样才能保证人才培养不过时，学校培养的学生与社会需求不脱节。但目前在授课内容上还只是注重传统知识的讲授，对于集成电路的发展动态和科技前沿则很少涉及。

1.3不因校施教，因材施教

教材作为教师教和学生学的主要凭借，是教师搞好教书育人的具体依据，是学生获得知识的重要工具。然而，我校目前“集成电路原理与应用”课程采用的教材还没有选定。如：2012年采用叶以正、来逢昌编写，清华大学出版社出版的《集成电路设计》;2013年采用毕查德・拉扎维编写，西安交通大学出版社出版的《模拟CMOS集成电路设计》;2014年采用余宁梅、杨媛、潘银松编著，科学出版社出版的《半导体集成电路》。教材一直不固定的原因是还没有找到适合我校电子科学与技术专业学生实际情况的教材，这就导致教师不能因校施教、因材施教。

2.“集成电路原理与应用”课程理论教学改革

2.1选优选新课程内容，夯实基础

由于我校电子科学与技术专业的学生，没有开设“半导体物理”、“晶体管原理”、“微电子工艺”等相关基础课程，因此理想的、适用于我校学生实际的教材应该包括半导体器件原理、模拟集成电路设计、双极型数字集成电路设计、CMOS数字集成电路设计、集成电路的设计方法、集成电路的制作工艺、集成电路的版图设计等内容，如表1所示。因此，在教学实践中，本着“基础、够用”的原则，采取选优选新的思路，尽量选择适合我校专业实际的教材。目前，使用笔者编写的适合于我校学生实际的理论教学讲义，理顺了理论教学，实现了因校施教，因材施教。

表1 “集成电路原理与应用”课程教学内容

2.2提取科技前沿作为教学内容，激发专业兴趣

为了提高学生的专业兴趣，让他们了解“集成电路原理与应用”课程的价值所在，在授课的过程中穿插介绍集成电路设计的前沿动态。如：从IEEE国际固体电路会议的论文集中提取模块、电路、仿真、工艺等最新的内容，并将这些内容按照门类进行分类和总结，穿插至传统的理论知识讲授中，让学生及时了解当前集成电路设计的核心问题。这样不但可以激发学生的好奇心和学习兴趣，还可以提高学生的创新能力。

2.3开展双语教学互动，提高综合能力

目前，我国的集成电路产业相对于国外来说，还存在着相当的差距。要开展双语教学的原因有三：一是集成电路课程的一些基本专业术语都是由英文翻译过来的;二是集成电路的研究前沿都是以英文发表在期刊上的;三是世界上主流的EDA软件供应商都集中在欧美国家，软件的操作语言与使用说明书都是英文的。因此，集成电路课程对学生的英语能力要求很高，在课堂上适当开展双语教学互动，无论是对于学生继续深造，还是就业都是非常必要的。

3.结语

集成电路自二十世纪五十年代被提出以来，经历了小规模、中规模、大规模、超大规模、甚大规模，目前已经进入到了片上系统阶段。虽然集成电路的发展日新月异，但目前集成电路相关人才的学校培养与社会需求存在很大的差距。因此，对集成电路相关课程的教学改革刻不容缓。基于此，本文从“集成电路原理与应用”课程理论教学出发，详细阐述了“集成电路原理与应用”课程教学所存在的主要问题，并有针对性的提出了该课程教学内容和教学方法的改革措施，这对培养应用型、创新型的集成电路相关专业的本科毕业生具有积极的指导意义。

参考文献：

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【关键词】电子信息科学与技术微电子课程体系建设教学改革

【基金项目】大连海事大学教改项目：电子信息科学与技术专业工程人才培养实践教学改革（项目编号：2016Z03）；大连海事大学教改项目：面向2017级培养方案的《微电子技术基础》课程教学体系研究与设计（项目编号：2016Y21）。

【中图分类号】G42 【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2018）01-0228-02

1.開设《微电子技术基础》的意义

目前，高速发展的集成电路技术产业使集成电路设计人才成为最抢手的人才，掌握微电子技术是IC设计人才的重要基本技能之一。本文希望通过对《微电子技术基础》课程教学体系的研究与设计，能够提高学生对集成电路制作工艺的认识，提高从事微电子行业的兴趣，拓宽知识面和就业渠道，从而培养更多的微电子发展的综合人才，促进我国微电子产业的规模和科学技术水平的提高。

2.目前学科存在的问题

目前电子信息科学与技术专业的集成电路方向开设的课程已有低频电子线路、数字逻辑与系统设计、单片机原理、集成电路设计原理等。虽然课程开设种类较多，但课程体系不够完善。由于现在学科重心在电路设计上，缺少对于器件的微观结构、材料特性讲解[1]，导致学生在后续课程学习中不能够完全理解。比如MOS管，虽然学生们学过其基本特性，但在实践中发现他们对N沟道和P沟道的工作原理知之甚少。

近来学校正在进行本科学生培养的综合改革，在制定集成电路方向课程体系时，课题组成员对部分学校的相关专业展开调研。我们发现大部分拥有电子信息类专业的高校都开设了微电子课程。譬如华中科技大学设置了固体电子学基础、微电子器件与IC设计、微电子工艺学以及电子材料物理等课程。[2]又如电子科技大学设置了固体物理、微电子技术学科前沿、半导体光电器件以及高级微电子技术等课程。[3]因此学科课题组决定在面向2017级电子信息科学与技术专业课程培养方案中，集成电路设计方向在原有的《集成电路设计原理》、《集成电路设计应用》基础上，新增设《微电子技术基础》课程。本课程希望学生通过掌握微电子技术的原理、工艺和设计方法，为后续深入学习集成电路设计和工程开发打下基础。

3.微电子课程设置

出于对整体课程体系的考虑，微电子课程总学时为32学时。课程呈现了微电子技术的基本概论、半导体器件的物理基础、集成电路的制造工艺及封装测试等内容。[4]如表1所示，为课程的教学大纲。

微电子技术的基本概论是本课程的入门。通过第一章节的学习，学生对本课程有初步的认识。

构成集成电路的核心是半导体器件，理解半导体器件的基本原理是理解集成电路特性的重要基础。为此，第二章重点介绍当代集成电路中的主要半导体器件，包括PN结、双极型晶体管、结型场效应晶体管（JFET）等器件的工作原理与特性。要求学生掌握基本的微电子器件设计创新方法，具备分析微电子器件性能和利用半导体物理学等基本原理解决问题的能力。

第三章介绍硅平面工艺的基本原理、工艺方法，同时简要介绍微电子技术不断发展对工艺技术提出的新要求。内容部分以集成电路发展的顺序展开，向学生展示各种技术的优点和局限，以此来培养学生不断学习和适应发展的能力。

第四章围绕芯片单片制造工艺以外的技术展开，涵盖着工艺集成技术、封装与测试以及集成电路工艺设计流程，使学生对微电子工艺的全貌有所了解。

4.教学模式

目前大部分高校的微电子课程仍沿用传统落后的教学模式，即以教师灌输理论知识，学生被动学习为主。这种模式在一定程度上限制了学生主动思考和自觉实践的能力，降低学习兴趣，与本课程授课的初衷相违背。[5]为避免上述问题，本文从以下几个方面阐述了《微电子技术基础》课程的教学模式。

教学内容：本课程理论知识点多数都难以理解且枯燥乏味，仅靠书本教学学生会十分吃力。因此，我们制作多媒体课件来辅助教学，将知识点采用动画的形式来展现。例如可通过动画了解PN结内电子的运动情况、PN结的掺杂工艺以及其制造技术。同时课件中补充了工艺集成与分装测试这部分内容，加强课堂学习与实际生产、科研的联系，便于学生掌握集成电路工艺设计流程。

教学形式：课内理论教学+课外拓展。

1）课内教学：理论讲解仍需教师向学生讲述基本原理，但是在理解运用方面采用启发式教学，课堂上增加教师提问并提供学生上台演示的机会，达到师生互动的目的。依托学校BBS平台，初步建立课程的教学课件讲义、课后习题及思考题和课外拓展资料的体系，以方便学生进行课后的巩固与深度学习。此外，利用微信或QQ群，在线上定期进行答疑，并反馈课堂学习的效果，利于老师不断调整教学方法和课程进度。还可充分利用微信公众号，譬如在课前预习指南，帮助学生做好课堂准备工作。

2）课外拓展：本课程目标是培养具有电子信息科学与技术学科理论基础，且有能力将理论付诸实践的高素质人才。平时学生很难直接观察到半导体器件、集成电路的模型及它们的封装制造流程，因此课题组计划在课余时间组织同学参观实验室或当地的相关企业，使教学过程更为直观，加深学生对制造工艺的理解。此外，教师需要充分利用现有的资源（譬如与课程有关的科研项目），鼓励学生参与和探究。

考核方式：一般来说，传统的微电子课程考核强调教学结果的评价，而本课程组希望考核结果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教学进度中的考核。课题组决定采用期末笔试考核与平时课堂表现相结合的方式，期末笔试成绩由学生在期末考试中所得的卷面成绩按照一定比例折合而成，平时成绩考评方式有随堂小测、课后习题、小组作业等。这几种方式将考核过程融入教学，能有效地协助老师对学生的学习态度、学习状况以及学习能力做出准确评定。

5.结语

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关键词：集成电路版图CAD；实践教学；课程实验；课程设计

Research on practice teaching mode of computer aided design of IC layout course

Shi Min， Zhang Zhenjuan， Huang Jing， Zhu Youhua， Zhang Wei

Nantong University， Nantong， 226019， China

Abstract： In this paper， the practice teaching mode of Computer Aided Design of IC layout course is discussed. According to one trunk line and two related course experiments mode， the experiment contents and methods were designed and implemented. Meanwhile， other efforts including emphasis of extracurricular scientific competition and reform of course practicum， were adopted to pay attention to the cultivation of comprehensive ability for students. The practice teaching mode proved that better teaching effect have been obtained.

Key words： Computer Aided Design of IC layout； practice teaching mode； course experiments； practicum

目前，高速发展的集成电路产业使IC设计人才炙手可热，而集成电路版图CAD技术是IC设计人才必须具备的重要技能之一。集成电路版图CAD课程是我校电子科学与技术专业和集成电路设计与集成系统专业重要的专业主干课，开设在大三第二学期，并列入我校第一批重点课程建设项目。本课程的实践教学是教学活动的重要组成部分，它是对理论教学的验证、补充和拓展，具有较强的直观性和操作性，旨在培养学生的实践动手能力、组织管理能力、创新能力和服务社会能力。结合几年来的教学实践，笔者从本课程实验、课程设计、课外科技竞赛等实践环节的设计工具、教学内容设计、教学方法和教学手段、师资队伍建设以及考核管理等方面进行总结。探讨本课程实践教学模式可加强学生应用理论知识解决实际问题的能力，提升就业竞争力，对他们成为IC设计人才具有十分重要的意义。

1 版图设计工具

集成电路CAD技术贯穿于集成电路整个产业链（设计、制造、封装和测试），集成电路版图设计环节同样离不开CAD工具支持。目前业内主流版图设计工具有Cadence公司的Virtuoso，Mentor Graphics公司的IC Flow，Springsoft公司的Laker_L3，Tanner Research公司的L_Edit和北京华大九天公司的Aether等。这些版图设计工具的使用流程大同小异，但在自动化程度、验证规模、验证速度等方面有所差异，在售价方面，国外版图设计工具贵得惊人，不过近年来这些公司相继推出大学销售计划，降低了版图设计工具的价格。高校选择哪种版图设计工具进行教学，则视条件而定。我校电子信息学院有2个省级实验教学示范中心和1个省部共建实验室，利用这些经费，我们购买了部分业内一流的EDA工具进行教学和科研。目前，我校版图设计工具有北京华大九天公司的Aether和Springsoft公司的Laker_L3。

2 两种相辅相成的实验教学模式

我校集成电路版图CAD课程共48学时（理论讲授24学时、实验24学时），实验环节是本课程教学的重要部分，在有限的实验教学时间内既要完成教学内容，又要培养学生创新能力，需要对实验教学模式进行改革和创新。本课程实验教学的目的与要求：与理论教学相衔接，熟练使用版图设计工具，学会基本元器件、基本数字门电路、基本模拟单元的版图设计，为本课程后续的课程设计环节做准备。紧紧围绕“一个规则（版图几何设计规则）、两个流程（版图编辑流程和验证流程）、四个问题”这条主线设计实验内容[1，2]。要解决的4个问题分别是：（1）版图设计前需要做哪些准备工作？（2）如何理解一个元器件（晶体管、电阻、电容、电感）的版图含义[3，4]？（3）如何修改版图中的几何设计规则检查错误？（4）如何修改版图和电路图一致性错误？表1为本课程实验内容、对应学时及对应知识点。笔者设计了两种相辅相成的实验教学模式：系统化实验教学模式和实例化实验教学模式。系统化实验教学从有系统的、完整的角度出发设计了实验教学内容，如设计实验3（数字基本门电路版图阅读）时，安排了5学时，采用3种版图阅读方式：读现有版图库中的单元电路版图、显微镜下读版图和读已解剖的芯片版图照片。针对同一内容，采用不同形式，彼此类比，加深印象，既有实物，又有动手操作，增强了直观性和感性认识。又如设计实验5（模拟单元MOS差分对管版图设计）时，安排了5学时，从器件匹配的重要性入手，给出MOS差分对管的电路图，讲解具体器件的形状、方向、连接对匹配的影响，特别是工艺过程引入器件的失配和误差，对MOS差分对管的3种版图分布形式（管子方向不对称形式、垂直对称水平栅极形式、垂直对称垂直栅极形式）进行逐一分析，指出支路电流大小对金属线的宽度要求，对较大尺寸的对管，采用“同心布局”结构。实例化实验教学先提出目标实例，围绕该实例，设计具体步骤，教师先示范，学生再模仿，如设计实验7（集成无源器件版图设计）时，由于集成电阻、电容和电感种类很多，不能面面俱到，要求只对多晶硅电阻、平板多晶硅电容和金属多匝螺旋形电感等常用元件进行版图分析和设计。课堂实验的内容和课时是有限的，为此我们设置了课外实验项目，感兴趣的学生选取一些实验项目自己完成，指导教师定期检查。学院开放了EDA实验中心（2007年该中心被遴选为省级实验教学示范中心建设点，2009年12月通过省级验收），学生对本课程很感兴趣，课外使用EDA实验室进行自主实验相当踊跃。通过上述的实验教学方法，特别是课外实验项目的训练，学生分析问题、解决问题的能力和科研素养得到了提高。

表1 课程实验内容、对应学时及对应知识点

表1（续）

4 基于0.6μmCMOS工艺的数字门电路版图设计 5 理解上华华润0.6 μm硅栅CMOS几何设计规则；学会CMOS反相器、传输门、与非、或非等基本门电路版图设计；DRC检查。

5 基于0.6 μmCMOS工艺的MOS差分对管版图设计 4 MOS差分对管版图设计，包括匹配原则、同心布局等，DRC检查。

6 版图电路图一致性检查 3 掌握LVS流程、LVS错误修改。

7 集成无源器件版图设计 3 多晶硅电阻、平板多晶硅电容和金属多匝螺旋形电感等常用元件版图设计。

3 改革课程设计环节

课程设计是本课程培养学生工程应用能力的综合性实践教学环节，时间2周，集中指导，提前1个月发给学生任务书和指导书，每个班配备2名指导教师，注重过程控制。笔者在教学内容、考核等方面进行了改革和创新：在教学内容设计上，给出了必做题和选做题，在选做题中要求每位学生完成数字电路版图1题和模拟电路版图1题，具体题目由抽签决定，做到1人1题，避免学生抄袭。考核成绩由课程设计成果（占50%）、小论文（占30%）、答辩（占20%）三方面综合给出。以往的课程设计报告改为撰写科技小论文，包括中英文题目、中英文摘要及关键词、引言、电路原理与分析、版图设计过程、分析与讨论、结束语和参考文献，让学生学习如何撰写科技论文。精选优质小论文放在本课程网上学习资料库里，供学生相互传阅和学习。课程设计答辩具体要求参照毕业设计（论文）答辩要求，包括准备PPT讲稿、讲解5分钟、指导教师点评等过程，每位学生至少需要10分钟时间。学生对课程设计答辩反映相当好，锻炼了语言组织和口头表达能力，而且相互间可以直接交流和学习。我们还挑选课程设计成绩优秀的学生参加校内集成电路版图设计大赛。虽然课程设计的改革和实践需要教师付出很多精力和时间，但我们无怨无悔，学生的认可和进步是我们最大的收获。

4 精心指导学生参加课外科技竞赛

目前我校学生参加的集成电路版图设计竞赛有校级版图设计大赛以及行业协会和企业组织的版图设计竞赛等。由校教务处主办，电子信息学院承办的南通大学版图设计大赛是校级三大电子设计竞赛之一，每年8月底举行，邀请集成电路设计公司一线设计人员和半导体协会专业人士担任评委，增加了竞赛的专业性和公正性，目前已经举办了6届，反响不错。从校级版图设计大赛获奖者中挑选一部分学生参加行业协会和企业组织的版图设计竞赛，如苏州半导体协会主办的集成电路版图设计技能竞赛、北京华大九天公司主办的“华大九天杯”集成电路设计大赛，其中“华大九天杯”集成电路设计大赛将挑选优秀获奖学生参加华润上华的免费流片，学生经历从电路设计、版图设计及验证、流片到测试各个环节，提高了综合训练能力。

5 加强师资队伍建设

要提高课程实践环节的教学质量，关键是指导教师要思想素质好，专业理论知识强，科研水平高，因此我们着力建立一支年龄结构、职称合理的实践教学队伍。目前很多年轻教师是从校园走向校园，毕业后直接上岗指导学习实践，缺少工程实践经历和经验。为了提高教师自身的业务水平，加强对年轻教师的培养，近十年来，我院每年暑假举行集成电路CAD技术实践培训班，由经验丰富的教学、科研一线教师主讲；不定期地邀请一流IC设计公司一线设计人员来院开设讲座；同时挑选年轻骨干教师到一流IC设计公司学习和实践，时间至少半年以上；现已聘请IC设计公司一线设计人员6人为兼职教师，指导课程设计和毕业设计。集成电路CAD技术日新月异，课程实践环节师资队伍建设必须与时俱进。

6 结束语

我校电子科学与技术专业、集成电路设计与集成系统专业2012年被评为省重点建设专业，也是江苏省首批培养卓越工程师的专业。集成电路版图设计是这两个专业卓越工程师培养计划的重要内容之一，总结和探讨集成电路版图CAD课程实践教学意义重大，今后我们要继续推进该课程实践环节的建设与改革，不断探索，为我国集成电路设计人才的培养而努力奋斗。

参考文献

[1] 施敏，孙玲，景为平.浅谈“集成电路版图CAD”课程建设[J].中国集成电路，2007（12）：59-62.

[2] 施敏，徐晨.基于九天EDA系统的集成电路版图设计[J].南通工学院学报：自然科学版，2004，3（4）：101-103.

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关键词：模拟集成电路；自适应加权；多目标优化；Pareto最优前沿

中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）10-00-02

0 引 言

一直以来，人们都想实现模拟集成电路设计的自动化，但考虑到模拟集成电路性能指标多，各性能指标间互相影响等因素，使得模拟集成电路的自动化进程远远落后于数字集成电路，模拟集成电路已经成为制约集成电路发展的瓶颈。随着技术的发展，片上系统将模拟集成电路与数字集成电路整合到一块芯片上。但人们对模拟集成电路的自动化研究却从未中断过，同时也取得了一些成果，其中基于优化的设计方法因适用范围广而受到了人们的青睐。

基于优化的设计方法将模拟集成电路的设计看作是多目标优化问题，电路设计时的性能指标如增益、带宽、相位裕度等就是多目标优化的目标函数。通过多目标优化算法求解出电路目标空间的Pareto前沿，该前沿就是电路各种性能指标折衷后的最优前沿，允许电路设计者从一组相互冲突的设计指标中做出最佳选择。

基于优化的设计方法的核心是多目标优化算法，解决多目标优化问题的常用算法是加权和算法[1]，该算法容易理解、操作简单，但是该算法不能求出Pareto前沿上位于凹区间内的解，而当权值均匀分布时，Pareto前沿上凸区间内的解分布不均匀[2]。本文采用了自适应加权和算法，该算法在加权和算法的基础上改进而来，克服了加权和算法的上述缺点。

1 自适应加权和算法原理

自适应加权和算法[3]的权值系数没有预先确定，而是通过所要求解问题的Pareto前沿曲线获得。首先用传统加权和算法产生一组起始解，然后在目标空间确定需要细化的区域。将待细化区域看作可行域并且对该区域施加不等式约束条件，最后用传统加权和方法对这些需要细化的子区域进行优化。当Pareto前沿上的所有子区域长度达到预定值时，优化工作完成。

图1所示的自适应加权算法与传统加权和算法进行了对比，说明了自适应加权和算法的基本概念。真正的Pareto前沿用实线表示，通过多目标优化算法获得的解用黑圆点表示。在该例中，整个Pareto前沿由相对平坦的凸区域和明显凹的区域组成。解决这类问题的典型方法就是加权和算法，该算法可以描述成如下形式：

上式中描述的是两个优化目标的情形，J1（x）和J2（x）分别为两个目标函数，sf1，0（x）和sf2，0（x）分别为对应的归一化因子，h（x）和g（x）分别为等式约束条件和不等式约束条件。

图1（a）为采用加权和算法后解的分布，可以看出大部分解都分布在anchor points和inflection point，凹区间内没有求出解。该图反映了加权和算法的两个典型缺点：

（1）解在Pareto前沿曲线上分布不均匀；

（2）在Pareto前沿曲线为凹区间的部分不能求出解。

因此尽管加权和算法具有简单、易操作的优点，但上述缺点却限制了其应用，这些固有缺陷在实际多目标优化设计问题中频繁出现。图1描述了本文所提出的自适应加权和算法的总体流程以及基本概念。首先根据加权和算法得到一组起始解，如图1（a）所示，通过计算目标前沿空间上相邻解的距离来确定需要进行细化的区域，如图1（b）所示，该图中确定了两个需要进行细化的区域。在确定需要进行细化的区域分别在平行于两个目标方向上添加额外的约束，如图1（c）所示，在该图中向减小方向J1添加的约束为1，J2减小方向添加的约束为2。对细化后添加完约束的区域用加权和算法优化，得出新解，如图1（d）所示，其中加权和算法求解最优解时采用Matlab中的fmincon函数。从该图中可看出，细化区域内产生了新解，Pareto前沿上解的分布较之前更加均匀，且求出了凹区域内的解，继续细化能够找出更多的解，Pareto前沿上的解也将分布地更加均匀。自适应加权和算法的流程图如图2所示。

2 两级运放设计实例

以一个带米勒补偿的两级运放[4]为例，说明自适应加权和算法的多目标优化设计。两级运放电路图如图3所示。

电路的各项性能指标如表1所列。

电路优化过程中采用工作点驱动[5，6]的设计方法，电路的设计变量为电路直流工作点上一组独立的电压、电流。电路性能通过方程获得，但方程中的小信号参数通过对工艺库进行模糊逻辑建模[7，8]得到，使得计算速度提高的同时保证了计算精度。两级运放电路的优化结果如图4所示。

图为算法迭代五代后的优化结果，由图可以发现，经过五代的优化迭代，求出的最优解在Pareto前沿上分布均匀。在同一电路中，单位增益带宽的增加与摆率的增加都会使功耗增加，而电路功耗降低导致的结果是电路的面积增加，或通过牺牲面积来换取低功耗，牺牲面积换取电路的带宽增加。这些结果与电路理论相吻合，同时也再次说明了模拟电路设计过程中的折衷以及模拟集成电路设计的复杂性。

3 结 语

自适应加权和算法能求出位于凹区间内的最优解，并且最优解分布均匀。本文通过两级运放电路验证了算法的优化效果，最终得到了满意的优化结果。

参考文献

[1]阳明盛，罗长童.最优化原理、方法及求解软件[M].北京：科学出版社，2010：92-94.

[2]I.Das， J.E. Dennis. A closer look at drawbacks of minimizing weighte dsums of objectives for Pareto set generation in multicriteria optimization problems [J]. Structral Optimization， 1997（14）：63-69.

[3]I. Y. Kim， O. L. de Weck. Adaptive weighted-summethod forbi-objective optimization：Paretofrontgeneration [J]. Struct Multidisc Optim， 2005（29）：149-158.

[4]Razavi B. Design of analog CMOS integrated circuits [M]. New York： Mc Graw-Hill， 2001.

[5]陈晓，郭裕顺.工作点驱动的模拟集成电路优化设计[J].杭州电子科技大学学报，35（6）：18-22.

[6]Guerra-Gomez I， McConaghy T， Tlelo-Cuautle E. Operating-point driven formulation for analog computer-aided design [J]. Analog Integrated Circuits and Signal Processing， 2013， 74（2）：345-353.

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关键词:带隙基准 温度补偿 电源抑制比 正温度系数电流

中图分类号: TN7文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-070-02

1引言

近年来,随着CMOS工艺技术的进步,模拟集成电路设计技术得到了飞速发展。现在受到学术界和工业界广泛关注的系统芯片集成(system on chip)、数模混合电路、模拟集成电路等对芯片内集成的基准电压源的要求比以往更高。在诸多电压基准源中,带隙式基准源的应用最为广泛。而在功放等集成电路中由于功率较大,系统的温度变化也较大,因此过温保护电路也必不可少。本文设计了带自启动和过温保护电路的带隙式基准电路,并使用了负反馈的方法使输出基准电路与电源电压基本无关,从而提高了电源抑制比。

2带隙基准原理

带隙基准是一种几乎不依赖温度和电源的基准技术,一般的带隙基准在0~70℃温度范围内有10ppm/℃的温度系数,图1所示的是带隙基准源的原理示意图。pn结二极管的电压降为VBE,其温度系数在室温时大约为-2.2mV/K.而热电压VT(VT=kT/q)在室温时的温度系数为+0.085mV/K,将VT电压乘以常数K并和VBE电压相加可得输出电压为:

(1)

将式(1)对温度微分并代入VBE和VT的温度系数就可求得K,它可以使得VREF的温度系数在室温时理论上为0。由于VBE受电源电压变化的影响很小,带隙基准源受电源的影响也很小。本文中T定为温度参数,单位为K。

图1带隙基准电压产生原理

3传统的带隙基准

图2所示为传统的带隙基准的核心电路图,图中运算放大器工作在深度负反馈情况下,使A、B两点的电位相等。选取R2、R3两电阻的阻值相等,可以得到两个BJT晶体管支路上的电流相等。Q2的发射极面积为Q1的n倍,则由双极型晶体管的电流公式:

(2)

得:

(3)

(4)

电阻R1上的电压降为:

(5)

这样:

(6)

适当调整R1,R2,R3的电阻比例可以得到在室温时温度系数为0的输出电压Vref。

图2传统带隙基准原理图

4减小失调电压的影响

由于输入MOS管的非对称性,运算放大器存在有输入失调电压,也就是当运放的输入电压为零时,其输出电压不为零。当运放的输入电压为Vos时,我们可以得到基准电压的输出如(7)式所示:

(7)

等效的失调电压Vos在运放的输入端产生的影响被量化为:

(8)

得出:

(9)

由式(7)可见,如果同相比增大,即可减小失调对输出基准电压的影响。如图3所示为本文高精度CMOS带隙基准核心电路及其启动和保护电路,Q1、Q2面积是Q3、Q4的n倍,将Q1和Q2、Q3和Q4串联,将提高为2,减小运放失调的影响。

图3高精度CMOS带隙基准电路

核心电路产生一个和温度成正比的电流(PTAT电流)为:

(10)

仿真结果为4uA。

经过上方的电流镜,将PTAT电流镜像后流过电阻R4,得到一个PTAT电压,再与VBE5相加后得到输出电压Vref:

(11)

取VBE为0.7V,求得Vref=1.25V,由于所使用工艺模型的差异,仿真结果为1.23V。

5过温保护

过温保护由镜像管M16,M17,R7,R8,Q6,上拉电阻R9,以及反相器inv1,inv2组成。

PTAT电流经过镜像管M13,M16放大10倍后变成40uA从M16管漏端流出。正常情况下电阻R7,R8上的压降较低,不至于使Q6导通,因此OTout输出电位为“0”,M17栅极电位为“1”,管子导通,使R8短接,这样可以降低Q6基极的电位,使其截止。

当温度上升到大约125℃时,R7上的压降升高到Q6管BE结开启电压以上,Q6导通,输出OTout为“1”,从OTout输出的过温信号送到偏置部分的使能管栅端,用于关断电路。M17和R8起过温迟滞作用,当发生过温保护时,M17管关断,Q6基极点位进一步升高,温度必须降低到82℃左右,过温保护才被取消,电路进入正常工作状态。

带隙基准的过温保护迟滞效果如图4所示。

图4过温保护特性

电路采用CSMC 0.35um N阱CMOS工艺模型进行Spectre仿真,得到良好的温度扫描特性:

图5带隙基准的温度扫描特性

6电源抑制比

一般的带隙基准都要求较高的电源抑制比,但是如果带隙基准中的运放采用外加偏置,必然会受到电源电压纹波的影响,特别是随着工作频率的提高,电容耦合使得输出电压受到电源电压的影响更大。因而使得传统带隙基准电压源电路的性能指标的进一步提高受到很大限制。本文中的带隙基准采用负反馈自偏置电路,不仅简化了电路,而且利用一个负反馈使输出偏置电压受电源电压的影响更低。本电路考虑这个因素,采用了运放自偏置结构,将运放输出电压作为基准核心电路的偏置,形成一个负反馈自偏置环路,使电源电压对输出基准电压的影响进一步降低,在4V到7V范围内电源抑制比为0.01V/V,如图6所示。

图6带隙基准的电源电压扫描特性

7结束语

本文介绍了一种基于0.35um CMOS工艺设计的低温漂CMOS带隙基准源,常温下输出电压为1.23V;在-20℃~80℃温度范围内,温漂为10PPM/℃;在4V到7V范围内电源抑制比为0.01V/V;达到了设计的预期目标。整个电路结构简单,有一定的实用价值。

参 考文献:

[1]朱樟明, 杨银堂, 刘帘曦. 一种高性能CMOS带隙电压基准源设计[J]. 半导体学报, 2004, 25 (5): 542-546.

[2]艾伦•PE•霍尔伯格. CMOS模拟集成电路设计[M]. 第二版. 北京:电子工业出版, 2005:125-130.

[3]陈碧, 罗岚, 周帅林. 一种低温漂CMOS带隙基准电压源的设计[J]. 电子器件, 2004, 27 (1): 79-82.

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【关键词】卓越工程师 培养 体系

【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1006－9682（2011）02－0020－02

福州大学于1970年开始招收微电子专业学生，为我省培养出第一批微电子专业人才，但由于历史原因，80年代微电子学专业停办了。为促进福建省IC产业的发展，加速福建省集成电路专业技术人才的培养，促进闽台两岸IC产业对接和为海峡西岸创新经济建设提供有力的人才支撑，2007年2月，经教育部批准，福州大学复办微电子学本科专业，依托福建省集成电路设计中心的公共服务平台，建立起集教学、研发与产业化功能于一体的国家集成电路人才培养基地。经过这几年的建设，微电子学专业实验室、福建省集成电路重点实验室等几个平台已建立起来，基本可满足学生、老师学习与研究之用，但微电子的人才还很奇缺，培养的人才与社会的需求还有一定的差距，因此我们根据教育部“卓越工程师培养计划”的标准，对微电子学专业的培养方案进行探索，培养符合社会需求的人才。

作为第一批试点单位，福州大学“卓越工程师培养”采用校企联合培养模式，把工程师培养分为校内学习和企业学习两个培养阶段。本科培养采用“3＋1”培养模式，即前3年在校内学习本科课程，第4年到企业实践；硕士培养采用“1.5＋1”培养模式，硕士工程型要求前一年半以校内为主学习硕士课程，后一年到企业实践，接受工程设计研发训练。

一、卓越工程师培养体系的建设

根据卓越工程师培养标准，卓越工程师培养体系的建设应包含以下几个方面：

1．教学计划建设（理论教学和实践教学安排）

集成电路设计、集成电路测试与封装等微电子专业都是实践性很强的学科，除了要有厚实的理论基础外，学生参与实践显得非常重要，这与卓越工程师的培养精神相吻合。因此在本科工程培养阶段，课程体系要面向工程，强调宽基础、重实践、重应用，强调学以致用，教学内容精而管用，可适当削减部分课程学时，同时开设企业与工程管理、企业法规、企业文化、国内外营销等与企业管理密切相关的课程，注重自然科学与人文科学的融合，并开设前沿叉学科课程，拓宽学生知识面。

2．教学模式和考核方式方面

教学模式和考核方式方面改革，课程教学与考核结合工程实际进行，专业课强调案例教学。通过课堂理论教学、研究性学习和企业实践性学习三段式的培养，实现培养模式创新。学生一年时间到企业顶岗或挂职，接受工程实践训练，并结合企业生产实际完成相关课程与毕业设计（工程设计）。

3．学生管理方面

学生管理方面实行校内、外双导师制。在企业的生产实习、企业实践与毕业设计的教学过程中，采用“双导师制”，即学生下派企业的同时，一个企业指定一名学院内在职教师为指导教师，长期与企业合作，与企业导师共同制定课程进度与相关内容等，为学生及时完成学业奠定基础。学生到达企业后，由企业指派高级技术人员（一般应为总工程师或部门负责人）为固定企业指导教师。

4．课程建设方面

把构建科学的卓越工程师培养课程体系，与实际的教学实践有机地结合起来，突出工程实践和创新能力，打造一批工程教育特色课程，一些面向企业实践性强的课程或项目聘请企业高级工程师授课或学生到企业通过动手实践完成，力争每一届学生有6门专业课是由具备5年以上在企业工作的工程经历教师主讲。

5．师资队伍建设方面

在每个企业中遴选出2～3名适合微电子专业各相关专业课程教学的高级专业人才，通过福州大学高等教师专业培训，正式聘任为福州大学教师，完成企业课程的授课任务与承担企业导师的工作。此外，学院的教师也应不定期地深入到相关企业进行调研和科研项目合作，加强校企的实质性深入合作，提高校内教师的工程素质与业务水平。同时鼓励中青年教师积极参加、探索新的教学模式和实验创新机制，逐步形成一支优秀教学团队，以培养一批中青年骨干教师。

二、卓越工程师培养计划的实施

目前正处于卓越工程师培养启动阶段，部分培养模式可对在校生进行试点，针对目前教学体制更注重学生的理论学习、实践环节明显不足、学生工程意识淡薄、毕业后很难让企业满意、学校的教学环节与企业的需求有较大的脱节等问题，并根据我省集成电路行业的发展状况和我校的现有条件，适当调整现有课程与课程的教学内容，适应微电子行业的人才结构需求，力争与福建省现有微电子企业联合培养集成电路方面的人才，探讨IC专业人才的培养模式与培养方案的创新和研发，是目前的工作重点。

1．课程体系的改革

深入集成电路的有关企业调研，了解企业需求，对2009级《微电子学专业培养计划》已做了很大修改，课程设置突出工程实践和创新能力的培养，培养方案与目标比较接近于企业的要求。这些变化体现在大多数理论课程之后都设置了相应的应用课程，比如数电、模电、C语言、数字集成电路设计、模拟集成电路设计、微机原理等课程，不仅有相应的课内实验，还有相应的课程设计，将刚学到的基础知识赋予实践，不仅巩固了基础知识，加深了理解，而且也培养了学生学以致用的能力。

2．本科第四学年的教学安排

根据卓越工程师培养方案的要求，第四学年应安排一些实践性的、研究性的课程，比如毕业实习、科研实践、毕业设计、项目研发管理等，这些课程可以带到企业中完成，可以结合各个企业的实际情况，做相应的课程研究，使得学生的研究内容来源于实际，使学生的学习与实际接轨。

3．课程建设方面

与实践相关的课程、教学内容要求直接使用目前行业流行的三大巨头软件，比如SPICE模拟设计与实验、逻辑设计与FPGA、数字集成电路CAD、模拟集成电路版图设计、集成电路制造工艺、集成电路可测性设计等课程的实验，都要求用目前市面上流行的软件工具与版本，并且教学内容要求来源于实际工程，逐步形成几门有特色的课程。

4．师资培养方面，加强现有教师参与企业项目研发的力度。

目前6名年青教师承担了福州福大海矽微电子有限公司的研发项目，研制的三个芯片已经完成MPW流片，经测试达到了设计技术要求，取得良好的效果；另有多名教师参与了福建省集成电路服务中心的建设与技术服务工作，逐步培养与锻炼了一批中青年骨干教师，形成了一支优秀的教学团队。

5．企业师资培养

在企业中遴选适合微电子各相关专业课程教学的高级专业人才，通过福州大学高等教师专业培训，正式聘任为福州大学教师，完成企业课程的授课任务与承担企业导师的工作。《集成电路实习》课程已经在ICC上课，07级的《教授讲座》由福州贝莱特集成电路有限公司的老总陈炳来教授承担。今后，其他相关课程的部分实践也将在该中心完成。

三、卓越工程师培养过程中存在的难点

1．企业难以接受学生实习

微电子行业都有较高的技术要求，企业一定是靠技术生存，各个单位对保护自己的商业秘密都非常重视，所以一般都不太愿意接受实习生。他们认为大学生没有实际工作能力，即使有，短时间内也不能很好地发挥出来为企业所用，所以企业接收大学生实习不仅没有得到免费的劳动力，而且还要冒着泄露商业机密的风险、需要付出各种代价，比如，至少必须给实习生安排办公位置及设备等，另外学生短时间内难以接手相关工作，还要让老职工去带，必然影响企业的进度安排，因此企业收益和成本相比得不偿失。总之，由于行业的原因，企业难以接受学生实习，这是微电子学专业卓越工程师培养实践过程的最大难点。

2．诚信问题

现在企业愿意接受学生实习的，大多是希望学生毕业后能够到企业来工作，这样相当于学生提前一年来企业实习，企业可以少培养学生一年，这对于学生、企业都是一件双赢的好事。但出现了很多学生毕业后又不去这个企业工作，失信于企业，以至于企业认为现在的学生诚信差，眼高手低在企业呆不住，打击了很多企业的热情。

3．学生管理上的难题

学生分散于各个企业实习，给学生管理带来了很大的难度，如学生在外地，老师很难经常去检查学生的情况，如在本地实习，学生大多还会住在学校，则交通问题给学生的安全带来了隐患，学校存在很大的压力。

四、卓越工程师培养的出路

1．政府给予参与企业一定的优惠

目前实行本计划的难点之一在于企业的参与。建议教育部联合国家有关部门共同出台政策，调动企业接受学生实践并共同参与培养学生的积极性，例如给予参与本计划的企业在税收上的减免或经费补贴，或在企业申报国家有关部门科研立项，技改立项时给予优惠。

2．加强学生的诚信建设

如果学生的诚信度可以得到企业的信任，那么我们可以这样来分流学生：对于不考研的学生，可以以找工作单位的方式去找实习企业，与企业签定协议，毕业后到企业工作，这样企业基本上就会接受这一批学生；至于要参加考研的学生，可以到学校的各个研究室等参与老师的课题研究，或者由一些有实践经验的老师各自带几个学生做些实用性、综合性的设计，也可以得到一些工程性的实战。

3．加强学校自身科研机构的建设，让更多的学生可以在校参与科研研究。

4．在一些重点企业设置教育部门，参与学校的实践教学。

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关键词:功率MOSFET;线性高压;运算放大器;功率驱动

中图分类号:TN722.7文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)02-010-02

Design of Linear High Voltage Amplifier Based on Power MOSFET

ZHANG Hao1,WANG Lixin1,LU Jiang1,LIU Su2

(1.The Institute of Microelectronics,Chinese Academiy of Sciences,Beijing,100029,China;

2.School of Physical Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou,730000,China)

Abstract:In order to achieve the linear control of high_voltage output in operational amplifier,based on the electrical properties of power MOSFET,a high_voltage operational amplifier is designed with new structure with power NMOS.Through simulation and experimental results,the linear output voltage is 0~50 V can be achieved,when the range of the input voltage is 0～5 V.And with the further improvement by utilizing power PMOS,the output voltage is -140～+140 V can be acquired,which indicates the high linearity,and with low cost,the needs of high voltage operational amplifier can be met.There is significance in the high power driving of modern communication.

Keywords:power MOSFET;linear high voltage;operational amplifier;power drive

0 引 言

高电压放大器已经广泛应用于通信、信号检测、功率驱动等方面\,并且已成为下一代无线通信系统的关键技术之一。采用各种手段和方法实现放大器高效率且高线性度的工作,对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义。

功率场效应晶体管具有跨导高,漏极电流大,工作频率高和速度快等特点,线性放大的动态范围大,在有较大的输出功率时也能有较高的线性增益。这里成功应用功率场效应晶体管设计出一种高压运算放大器。该放大器的制作成本低廉,输出线性可控,适用范围广。

1 功率MOS器件结构与分析

功率MOS场效应晶体管是在MOS集成电路工艺基础上发展起来的新一代电力开关器件,具有输入阻抗高,驱动电路简单,安全工作区宽等优点\。图1给出功率MOS晶体管的结构剖面图及其电学特性曲线。采用双扩散结构\制作适合用作功率器件的短沟道高压晶体管,需要短的重掺杂背栅和宽的轻掺杂漂移区。由于外延层厚度决定了漂移区的宽度,因此也决定了晶体管的工作电压,其漏源电压公式为\:

VDS=(RJEFT+RACC+RFP)IMOS+Vf(1)

式中:RJFET为结型场效应管电阻;RACC为N-层表面电子积累层电阻;RFP为外延层电阻;IMOS为反型沟道电流;Vf为沟道压降。

图1 功率MOS结构图及电学特性

2 电路设计

高压运算放大器电路主要由运算放大器和功率场效应晶体管组成\,其结构原理图如图2所示。

图2 高压运算放大器电路图

所设计的电路中使用价格低廉的运放LM358和NMOS功率管IRF630构成负反馈回路\,双极晶体管C8050和电阻R4实现过载保护\,防止流过IRF630的电流过大,整个电路为反比例放大电路,R2为反馈电阻,其输入和输出的关系式为:

Vout=-(VinR2)/R1(2)

3 实验结果及分析

根据图2制作试验电路板如图3所示。供应电压为60 V,R11.963 kΩ,R220 kΩ,放大倍数约为10.19。当输入电压为0～5 V时,先用EDA软件对电路进行模拟仿真,然后对电路板进行测量,并进行比较,结果如表1所示。

图3 实验电路板

表1 输出电压的模拟结果与测量结果V

输入电压值仿真输出测量输出输入电压值仿真输出测量输出

0- 0.18- 1.52.5 -25.51-26.4

0.1 - 1.05- 2.13.0 -30.60-31.6

0.5 - 5.13- 6.23.5 -35.69-36.7

1.0 -10.22-10.94.0 -40.79-41.8

1.5 -15.32-16.14.5 -45.88-47.5

2.0 -20.41-21.35.0 -50.98-52.8

由表1可画出输入/输出关系变化图形,如图4所示。从表1和图4中可以看出,模拟结果和测量结果存在误差,误差ε=-1.095,这是因为测量精度和器件自身精度的误差所引起的。当输入电压从0 V扫描到5 V时,得到等比例的放大输出电压,且呈线性变化,能够实现输入电压对输出电压的线性控制,具有很好的驱动能力。

图4 电路输入/输出变化图

根据以上分析,用PMOS功率管进一步改进电路,和用NMOS管构成一种推挽结构\的输出电路,可以满足输入正负电压的要求,如图5所示。若选用耐压350 V的NMOS功率管IRF713和耐压300 V的PMOS功率管IRF9631,以及晶体管Q1,Q2和电阻R4,R5构成过载保护电路,则选取R2=280 kΩ,R1=10 kΩ,对电路进行仿真,输入电压范围是-5～+5 V。当输入电压为负压时,PMOS管导通,NMOS管截止,输出为正电压;当输入电压为正压时,NMOS管导通,PMOS管截止,输出为负电压。输入/输出的线性关系如图6所示,电压输出为+140～-140 V,可实现高压的双极性线性等比例放大输出。

图5 改进的线性高压运算放大器

图6 输入/输出线性关系图

4 结 语

利用功率场效应晶体管的电学特性,并运用反馈运放的基本原理成功设计了高压运算放大器。实验结果和模拟结果验证了所设计的电路输出电压线性度高,能够对高压进行有效的线性控制。选择耐压高的功率管,可以实现更高电压的线性输出,达到高压驱动的要求,电路结构简单,制作成本低,可以满足不同领域的要求,且具有很高的实用价值。

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