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摘要：集成电路产业是国民经济中基础性、关键性和战略性的新兴产业，为了培养产业界急需的集成电路设计人才， 适应日益升温的国内集成电路产业，本文从集成电路设计教学中最为重要的实验教学出发，重点分析和讨论了开展数模混合集成电路设计实验课程的思路和内容设计，提出了基础电路设计仿真、版图布局以及整体电路设计工程三个层次锻炼学生的电路设计能力，并对下一步的实验教学研究指出方向。
关键词：数字电路；模拟电路；版图设计；实验教学
一、背景
集成电路产业是国民经济中基础性、关键性和战略性的新兴产业，它作为现代信息产业的基础和核心产业之一，在保障国家安全等方面发挥着重要的作用，是衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。我国在微电子集成电路领域发展非常迅速，但与此同时，由于起步较晚，我国集成电路整体水平与欧美差距仍然较大，每年仍需从国外进口超过2200亿美元的芯片，甚至超过了原油进口量。而对于关系到国家和国防安全的重要芯片，更是处于被国外禁运的状态。近期爆发的美国对我国中兴通讯公司实行芯片禁运事件就揭露我国集成电路行业的困境。为了突破国外的封锁，尽快摆脱对国外芯片的依赖，我国先后出台相关鼓励扶持政策，重点发展集成电路产业，未来几年将是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期，国内集成电路产业将继续保持持续、高速增长的势头。由此便产生了巨大的集成电路相关产业人才需求和缺口，尤其缺乏电路设计研发类工程师，包括射频/模拟/混合信号集成电路设计师、数字集成电路设计工程师、版图设计工程师等。
为了培养集成电路设计行业的人才，国内高校纷纷开设了微电子专业，并开设了集成电路设计相关课程。笔者所在的湖北大学物理与电子科学学院于2007年开设了微电子专业，在国内属于较早开设微电子专业的学校。在学生学习掌握模拟电路、数字电路、电路理论、信号与系统等电路基础课程后，重点开设了集成电路设计的专业课程，包括“模拟CMOS集成电路设计”，“数字集成电路设计与Verilog”，“集成电路版图设计”，“集成电路课程设计”等，重点培养学生模拟、数字集成电路设计的基础知识。但与此同时，由于集成电路设计的特殊性，包括湖北大学在内的众多高校仍处于集成电路设计的理论和基础教育阶段，相关实验课程仍处于探索的状态，主要表现在实验课程种类较少，缺乏深度，部分课程与产业界完全脱离，从而导致微电子专业毕业生缺乏实战经验，无法满足产业界的需求。为此，笔者结合在产业界的实际芯片设计、投片经验，同时根据本科生基础较为薄弱、知识面较窄、无法融会贯通的特点，调整实验内容，创新教学思路，以潜入深，由易到难，将课程实验、专业课程设计以及生产实习紧密结合，探索出一条适合本科生集成电路设计的实验教学方式，以充分激发学生的学习和研究兴趣[1]。通过几年实践，在集成电路设计，尤其是数模混合集成电路设计方面取得了较好的教學效果，所培养的学生逐步获得了产业界和社会的认同，学生自身也增加了专业认同感。
二、集成电路设计分类及设计工具
集成电路设计具体分为数字集成电路设计、模拟集成电路设计以及射频集成电路设计，数字集成电路由于规模较大，现今主要采用Verilog语言进行电路功能描述，再采用EDA工具自动综合、布局布线。模拟电路基于晶体管进行电路设计，以实现各种放大、转换等模拟功能，由于模拟电路设计存在的PVT敏感性以及不稳定性，因而通常由设计者自己从基础晶体管开始设计，并进行手动版图布局，自动化程度较低，属于底层实现，难度较高，但也能够更加扩展学生的知识面并提升其理解深度。射频集成电路主要用于射频收发领域，难度较高，通常在研究生期间学习，本科阶段较少涉及。对于以模拟电路为主的应用领域，数字电路功能较为简单，无需采用自动化流程进行设计，也可以采用模拟定制的手段进行数字电路设计，因而通常将此类应用称为数模混合集成电路（数模混合集成电路也指同时采用数字自动化流程和模拟定制流程实现的集成电路）。笔者长期从事数模混合集成电路的研究与设计，因此，重点开展了数模混合集成电路的实验教学。
对于模拟电路和数模混合电路，产业界通常采用Cadence 软件进行设计，Cadence是集成电路设计中最为核心的软件之一，囊括完整的前端（电路）至后端（版图）的设计功能，首先采用Virtuoso进行电路设计，并基于Spectre进行电路仿真，然后继续应用Virtuoso进行版图绘制，再辅助于Mentor公司的Calibre工具进行设计规则和电路连接关系的检查，最终完成满足设计要求的能够交于代工厂（Foundry）生产的GDS文件。通过将 Cadence 软件应用到数模混合集成电路的教学中，能够让学生独自完成集成电路设计完整的流程，将非常有利于培养和锻炼其实际的集成电路设计能力，从而真正与产业界接轨[2-5]。
三、数模混合集成电路实验教学内容
我们所采用的完整的集成电路设计实验设置如图1所示，对于数模混合集成电路设计而言，在本科二年级学习数字电路和模拟电路技术之后，同学们对电子技术有了初步的理解，掌握了数字电路和模拟电路的行为级设计能力，能够基于真值表、卡诺图并利用基础逻辑门实现基本的组合、时序逻辑，利用放大器并结合负反馈技术实现基本的信号产生电路、功率放大电路，随后的数字电路和模拟电路实验也能够进一步加深同学们的行为级或者芯片级应用设计能力。
但简单靠数模电课程和实验是无法真正理解电子电路的，因为数模电是基于电路和芯片应用的层次，同学们所看到的图像还停留在如图2所示的基础逻辑门和基础放大器符号上，肯定会对构成基础逻辑门或者基础放大器具体的电路产生疑问，无法理解为什么逻辑门或者放大器具有相应的逻辑功能和放大功能。因此，我们在数模电之后，开设了CMOS模拟集成电路设计课程，首先学习基于晶体管的共源放大、源极跟随器、共栅级放大、共源共栅等单级放大电路，然后学习复杂的差分放大电路，包括单级差分放大电路、套筒式放大电路、折叠式共源共栅放大电路、两级放大电路等，并基于两级放大电路引入负反馈环路的稳定性问题，进而学习弥勒补偿原理。 然后学习CMOS数字集成电路设计课程，从晶体管级开始学习基础逻辑门，包括反相器、与非门、或非门、异或门、D触发器、锁存器，同时学习多种逻辑门实现技术，包括静态逻辑门，复合静态逻辑门，动态逻辑门，基于传输结构的逻辑门，互补逻辑门等，然后基于这些基础逻辑门，实现加/减法器、编码/译码器、同步/异步计数器的设计、功能分析与性能分析，并针对数字集成电路设计中的物理实现技术进行优化，包括功耗、延时等。
由此，集成电路设计的基础理论课程便完成了，但迄今为止，同学们对集成电路还完全停留在理论学习阶段，因此，将从数模混合集成电路专业课程设计、版图设计和数模混合集成电路设计生产实习三个阶段全面完整地加深和锻炼学生的数模混合集成电路设计实现能力。
3.1数模混合集成电路专业课程设计
（1）数字电路设计
数模混合集成电路专业课程设计的主要目的是进一步加深数字集成电路和模拟集成电路的相关概念，同时学习Cadence软件，并基于晶体管和片上器件实现基础逻辑门和放大电路的设计和仿真。在此阶段，首先从最为简单的反相器开始，学习和熟悉晶体管的四端构成、器件的选型、宽长比参数的配置等，同时重点掌握Cadence软件的使用和ADE仿真，分析反相器的转换时间以及功耗影响因素。需要指出的是，由于刚开始接触Cadence工具，反相器的教学主要以教师讲授为主，学生全程跟随。随后，进行其他基础逻辑门的设计仿真，以学生自主设计为主，教师辅导，以进一步熟练Cadence前端设计软件的使用。
在完成基础逻辑门的设计和仿真后，同学们对cadence软件已经较为熟悉，对基础逻辑门也有了更为深刻的理解，此时进行较为简单的复合电路模块设计，先以半加器、全加器、多位全加器開始，同时进一步复习数电中真值表、卡诺图等数字设计方法，然后进行8-3/3-8编解码器的设计仿真。在组合逻辑电路完成之后，进行锁存器、D触发器等时序电路的设计仿真，并利用D触发器实现异步/同步计数器。
（2）模拟电路设计
在完成较为简单的数字电路设计之后，同学们对晶体管的一些基本特性有了一定的了解，包括阈值电压、跨导、寄生电容、导通电阻等，同时已经充分熟悉cadence软件的操作，接下来进行难度较高的模拟电路设计仿真。首先从共源极放大电路开始，重点教授增益、大信号、小信号、摆幅等概念，以及增益、直流工作点的仿真方法。然后进行源极跟随器、共栅级放大、共源共栅等单级放大电路的设计与仿真，重点突出在源极跟随器增益约为1以及电平转换功能，共源共栅的输出电阻倍增效应，为后面复杂的运算放大器设计做准备。
随后过渡到差分运算放大器的设计，首先以如图3（a）所示基本的双端输入-单端输出运算放大器开始，熟悉差分放大电路的增益摆幅仿真方法。然后在发现其增益并不高后，引入两级运算放大器电路，通过级联一级共源极放大，能够将增益进一步增加。但由于两级放大电路中含有两个极点，因此会引入环路稳定性的问题。由此，通过采用两级运放构成如图3（b）所示的电压跟随器，引导学生进行环路稳定性的分析与仿真，从而进一步引入（b）中的弥勒频率补偿方式，以实现基本的两级运放补偿。
环路稳定性的分析和补偿较为复杂，也是模拟集成电路设计的难点之一，在完成上述实验仿真之后，引入另外一种增加放大倍数而不增加环路极点的方法，即如图4（a）所示的采用共源共栅结构的套筒式差分放大器，在该电路设计分析过程中，重点引导学生学习共源共栅结构及其原理，同时引入最小工作电压的概念，以揭示套筒式放大器输出摆幅和最小电源电压受限的问题，并由此引入折叠式共源共栅放大器电路，如图4（b）所示，以同时获得较高的增益、较小的最小工作电压或较大的输出摆幅。
以上即为数模混合集成电路设计的专业课程设计的主要内容，整个实验课程的重点和难点集中在：（1）Linux环境下Cadence软件的使用；（2）数字电路设计的基本方法（真值表和卡诺图）回顾；（3）MOS晶体管结构和基本参数概念、意义及仿真；（4）环路稳定性及弥勒补偿。整个课程内容较多，课时安排在48学时以上。
3.2版图设计
在模拟集成电路和数模混合集成电路设计中，虽然电路设计难度较高，需求量较大，但版图设计也是必不可少的一环，现今模拟或者数模混合电路设计工程师都必须具有版图设计的能力。除此之外，由于实际芯片设计中版图布局工作量较大，且难度较低，因此众多集成电路设计公司也急缺版图设计工程师，并非常愿意从高校直接招收应届毕业生从事版图设计的工作，可以说，版图设计工程师现今处于供不应求的状态。为此，在学习数模混合集成电路设计仿真的基本流程后，为了完善同学们的集成电路技能，同时与产业界接轨，我们开设了版图设计课程，利用Cadencevirtuoso和Mentor的Calibre工具，教授学生学习数字电路、模拟电路的版图布局设计，提升其分析Foundry基本设计文件的能力。
（1）结合微电子器件结构，熟悉CMOS集成电路芯片生产流程。在学习微电子器件课程之后，同学们有了BJT、PN结、PMOS、NMOS等微电子器件的基本概念，但真实中这些器件如何生产实现，并无直观概念。因此，首先教授集成电路生产流程，重点分析掩膜、光照的概念，然后由此过渡到版图设计课程，即通过阅读分析某个具体工艺的设计文件，分析版图设计中所涉及的所有MASK的作用与意义，并了解每种器件所需的MASK类型。
（2）结合具体工艺的设计规则文件，学习布局规则。针对每种具体的工艺，所能允许的层次之间间距有具体的要求，这个通常由Foundry给出的设计规则文件给出。因此，在进行具体的布局之前，先教授学生学习分析每个所用层次的布局要求，以为接下来的版图布局做准备。
（3）进行具体电路的版图布局，仍从最为简单的反相器开始，以熟悉版图设计的基本操作和MOS晶体管的结构，重点引入衬底和guardring的概念，以防止闩锁效应。然后重点进行设计规则检查DRC和连线关系检查LVS，与电路设计类似，反相器的版图布局设计仍以教师教授、学生跟随为主，以使同学们及时真正掌握版图设计的基本方法。在随后的课程中，逐步进行基础逻辑门的版图布局，并进一步进行电路设计中半加器、全加器、多位全加器开、编/译码器、锁存器、D触发器、以及异步/同步计数器的版图设计。 （4）各类运算放大器模拟版图的布局。与数字电路版图不同，模拟版图要求尽量实现匹配，尤其是在对称的结构中，尤其要注意器件的匹配和Dummy的添加。最为简单的是匹配方式是将对称的两个器件依次布局，并在边缘添加dummy器件，以使两个器件中相邻部分同时变化，并且每个子部分周围环境一致，减小应力不均带来的失配，如图5（a）所示。若对于匹配要求较高的器件，例如运算放大器的差分输入管，可以采用更为匹配度更好的交叉匹配方式，如图5（b）所示。
（5）后仿真。在完成版图设计之后，需要进一步提取由版图布局布线带来的寄生阻容带来的影响，因此，重点学习采用Calibre提取后仿寄生参数的方法，然后基于后仿网表进行后仿真。
至此，便完成了版图设计课程的全部内容，整个实验课程的重点和难点集中在：（1）Linux环境下Cadence版图软件和Calibre软件的使用；（2）Foundry设计规则文件的学习分析；（3）匹配器件的交叉匹配方式。整个实验课程内容较多，课时安排在48学时以上。
3.3数模混合集成电路生产实习
经过上述实验课程的学习，同学们已经基本掌握数模混合集成电路设计、版图布局的基本技能，能够较为熟练的进行简单逻辑以及放大器等功能电路模块的设计、仿真与版图实现，但仍然缺乏集成电路整体系统的概念。因此，在生产实习阶段，进行数模混合集成电路整体工程的设计，该工程将尽量包含上述两门课程所学所有内容，最为合适的电路工程就是带隙基准电路，带隙基准电路是集成电路领域最为基础的电路模块之一，它为整个芯片提供稳定的不随温度、工艺和电源电压变化的基准电压。在带隙基准电路中，将同时包含BJT、MOS、电阻、电容等片上器件，器件种类多；同时包含偏置电流源、启动电路和运算放大器，涉及电路简并态、负反馈环路及其稳定性补偿；涉及上电和掉电使能，以及生产后修调，能够覆盖上下拉电路、基础逻辑门和译码电路等数字电路；涉及温度稳定性和电源抑制比概念及仿真；涉及工艺角和蒙特卡洛统计仿真。在完成整个电路设计后，进行完整功能的带隙基准电压源的版图设计，并实现后仿参数的提取与后仿真，通过版图布局调整或者电路参数的调整，最终实现满足设计要求的带隙基准电压源。
集成电路生产实习将在连续的一段时间内集中完成，通常持续时间为1个月左右，以个人为单位，重点锻炼同学们的电路设计和版图设计能力，以及系统集成能力，进一步加深数模混合集成电路设计的理论概念和设计验证方法。在完成集成电路设计生产实习后，同学们基本具有独立设计实现具体功能模块的能力，不管是进入到产业界进行工作还是继续读研深造，都将具有较强的竞争力。
四、结语
集成电路设计实验课程即使在已经开设集成电路设计专业的高校中仍处于探索的过程，而对于尚未开设集成电路专业的高校，对于该课程的建设和实验教学中的一些具体的方法研究和探讨需要更加深入。我们在数模混合集成电路设计实验课程中，紧密围绕集成电路专业的培养目标，结合产业界的需求和授课老师所具有的丰富的集成电路设计经验，以学生为主体，遵循数模混合集成电路设计的教学规律和实际工程规律，科学设计教学内容和结构，由易到难，由浅入深，针对本门课程实践性强的特点，科学安排三个层次的实践教学内容，从基础电路设计开始，通过版图设计加深理解，最后以完整的电路设计工程锻炼学生的整体设计能力。经过几年的实践，取得了一定的成绩，所培养的学生在众多集成电路设计大赛中获奖，毕业后也深受产业界欢迎。下一步的研究将进一步总结几年来的实验教学经验，继续丰富实验教学内容， 加强教材建设，依托产业界，寻找实际投片机会，真正让学生完成完整、深入的芯片设计流程。
参考文献：
[1]杜娟，罗冰，宋鹏程.新工科背景下体验式教学模式构建与实践[J].教育现代化，2017（45）.
[2]粟涛，谢德英. “模拟集成电路”课程教学内容的探讨[J].电气电子教学学报，2012，34（3）：39-41.
[3]周明珠.Cadence在集成电路教学中的应用[J]. 高校实验室工作研究， 2011（2）：52-55..
[4]武玉华， 路而红，高献伟，等. "专用集成电路设计"课程建设和教学实践[J].中国科教创新导刊，2010（8）：28-28.
[5]李卫，方玉明，郭宇锋，等. 集成電路系列课程虚拟仿真实验教学研究[J].实验科学与技术，2017， 15（2）：74-76.
作者简介：
万美琳（1988-），男，江西临川人，湖北大学物理与电子科学学院，讲师。
基金项目：
湖北大学教育教学改革研究项目（NOs.20150005）
关键词：数字电路；模拟电路；版图设计；实验教学
一、背景
集成电路产业是国民经济中基础性、关键性和战略性的新兴产业，它作为现代信息产业的基础和核心产业之一，在保障国家安全等方面发挥着重要的作用，是衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。我国在微电子集成电路领域发展非常迅速，但与此同时，由于起步较晚，我国集成电路整体水平与欧美差距仍然较大，每年仍需从国外进口超过2200亿美元的芯片，甚至超过了原油进口量。而对于关系到国家和国防安全的重要芯片，更是处于被国外禁运的状态。近期爆发的美国对我国中兴通讯公司实行芯片禁运事件就揭露我国集成电路行业的困境。为了突破国外的封锁，尽快摆脱对国外芯片的依赖，我国先后出台相关鼓励扶持政策，重点发展集成电路产业，未来几年将是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期，国内集成电路产业将继续保持持续、高速增长的势头。由此便产生了巨大的集成电路相关产业人才需求和缺口，尤其缺乏电路设计研发类工程师，包括射频/模拟/混合信号集成电路设计师、数字集成电路设计工程师、版图设计工程师等。
为了培养集成电路设计行业的人才，国内高校纷纷开设了微电子专业，并开设了集成电路设计相关课程。笔者所在的湖北大学物理与电子科学学院于2007年开设了微电子专业，在国内属于较早开设微电子专业的学校。在学生学习掌握模拟电路、数字电路、电路理论、信号与系统等电路基础课程后，重点开设了集成电路设计的专业课程，包括“模拟CMOS集成电路设计”，“数字集成电路设计与Verilog”，“集成电路版图设计”，“集成电路课程设计”等，重点培养学生模拟、数字集成电路设计的基础知识。但与此同时，由于集成电路设计的特殊性，包括湖北大学在内的众多高校仍处于集成电路设计的理论和基础教育阶段，相关实验课程仍处于探索的状态，主要表现在实验课程种类较少，缺乏深度，部分课程与产业界完全脱离，从而导致微电子专业毕业生缺乏实战经验，无法满足产业界的需求。为此，笔者结合在产业界的实际芯片设计、投片经验，同时根据本科生基础较为薄弱、知识面较窄、无法融会贯通的特点，调整实验内容，创新教学思路，以潜入深，由易到难，将课程实验、专业课程设计以及生产实习紧密结合，探索出一条适合本科生集成电路设计的实验教学方式，以充分激发学生的学习和研究兴趣[1]。通过几年实践，在集成电路设计，尤其是数模混合集成电路设计方面取得了较好的教學效果，所培养的学生逐步获得了产业界和社会的认同，学生自身也增加了专业认同感。
二、集成电路设计分类及设计工具
集成电路设计具体分为数字集成电路设计、模拟集成电路设计以及射频集成电路设计，数字集成电路由于规模较大，现今主要采用Verilog语言进行电路功能描述，再采用EDA工具自动综合、布局布线。模拟电路基于晶体管进行电路设计，以实现各种放大、转换等模拟功能，由于模拟电路设计存在的PVT敏感性以及不稳定性，因而通常由设计者自己从基础晶体管开始设计，并进行手动版图布局，自动化程度较低，属于底层实现，难度较高，但也能够更加扩展学生的知识面并提升其理解深度。射频集成电路主要用于射频收发领域，难度较高，通常在研究生期间学习，本科阶段较少涉及。对于以模拟电路为主的应用领域，数字电路功能较为简单，无需采用自动化流程进行设计，也可以采用模拟定制的手段进行数字电路设计，因而通常将此类应用称为数模混合集成电路（数模混合集成电路也指同时采用数字自动化流程和模拟定制流程实现的集成电路）。笔者长期从事数模混合集成电路的研究与设计，因此，重点开展了数模混合集成电路的实验教学。
对于模拟电路和数模混合电路，产业界通常采用Cadence 软件进行设计，Cadence是集成电路设计中最为核心的软件之一，囊括完整的前端（电路）至后端（版图）的设计功能，首先采用Virtuoso进行电路设计，并基于Spectre进行电路仿真，然后继续应用Virtuoso进行版图绘制，再辅助于Mentor公司的Calibre工具进行设计规则和电路连接关系的检查，最终完成满足设计要求的能够交于代工厂（Foundry）生产的GDS文件。通过将 Cadence 软件应用到数模混合集成电路的教学中，能够让学生独自完成集成电路设计完整的流程，将非常有利于培养和锻炼其实际的集成电路设计能力，从而真正与产业界接轨[2-5]。
三、数模混合集成电路实验教学内容
我们所采用的完整的集成电路设计实验设置如图1所示，对于数模混合集成电路设计而言，在本科二年级学习数字电路和模拟电路技术之后，同学们对电子技术有了初步的理解，掌握了数字电路和模拟电路的行为级设计能力，能够基于真值表、卡诺图并利用基础逻辑门实现基本的组合、时序逻辑，利用放大器并结合负反馈技术实现基本的信号产生电路、功率放大电路，随后的数字电路和模拟电路实验也能够进一步加深同学们的行为级或者芯片级应用设计能力。
但简单靠数模电课程和实验是无法真正理解电子电路的，因为数模电是基于电路和芯片应用的层次，同学们所看到的图像还停留在如图2所示的基础逻辑门和基础放大器符号上，肯定会对构成基础逻辑门或者基础放大器具体的电路产生疑问，无法理解为什么逻辑门或者放大器具有相应的逻辑功能和放大功能。因此，我们在数模电之后，开设了CMOS模拟集成电路设计课程，首先学习基于晶体管的共源放大、源极跟随器、共栅级放大、共源共栅等单级放大电路，然后学习复杂的差分放大电路，包括单级差分放大电路、套筒式放大电路、折叠式共源共栅放大电路、两级放大电路等，并基于两级放大电路引入负反馈环路的稳定性问题，进而学习弥勒补偿原理。 然后学习CMOS数字集成电路设计课程，从晶体管级开始学习基础逻辑门，包括反相器、与非门、或非门、异或门、D触发器、锁存器，同时学习多种逻辑门实现技术，包括静态逻辑门，复合静态逻辑门，动态逻辑门，基于传输结构的逻辑门，互补逻辑门等，然后基于这些基础逻辑门，实现加/减法器、编码/译码器、同步/异步计数器的设计、功能分析与性能分析，并针对数字集成电路设计中的物理实现技术进行优化，包括功耗、延时等。
由此，集成电路设计的基础理论课程便完成了，但迄今为止，同学们对集成电路还完全停留在理论学习阶段，因此，将从数模混合集成电路专业课程设计、版图设计和数模混合集成电路设计生产实习三个阶段全面完整地加深和锻炼学生的数模混合集成电路设计实现能力。
3.1数模混合集成电路专业课程设计
（1）数字电路设计
数模混合集成电路专业课程设计的主要目的是进一步加深数字集成电路和模拟集成电路的相关概念，同时学习Cadence软件，并基于晶体管和片上器件实现基础逻辑门和放大电路的设计和仿真。在此阶段，首先从最为简单的反相器开始，学习和熟悉晶体管的四端构成、器件的选型、宽长比参数的配置等，同时重点掌握Cadence软件的使用和ADE仿真，分析反相器的转换时间以及功耗影响因素。需要指出的是，由于刚开始接触Cadence工具，反相器的教学主要以教师讲授为主，学生全程跟随。随后，进行其他基础逻辑门的设计仿真，以学生自主设计为主，教师辅导，以进一步熟练Cadence前端设计软件的使用。
在完成基础逻辑门的设计和仿真后，同学们对cadence软件已经较为熟悉，对基础逻辑门也有了更为深刻的理解，此时进行较为简单的复合电路模块设计，先以半加器、全加器、多位全加器開始，同时进一步复习数电中真值表、卡诺图等数字设计方法，然后进行8-3/3-8编解码器的设计仿真。在组合逻辑电路完成之后，进行锁存器、D触发器等时序电路的设计仿真，并利用D触发器实现异步/同步计数器。
（2）模拟电路设计
在完成较为简单的数字电路设计之后，同学们对晶体管的一些基本特性有了一定的了解，包括阈值电压、跨导、寄生电容、导通电阻等，同时已经充分熟悉cadence软件的操作，接下来进行难度较高的模拟电路设计仿真。首先从共源极放大电路开始，重点教授增益、大信号、小信号、摆幅等概念，以及增益、直流工作点的仿真方法。然后进行源极跟随器、共栅级放大、共源共栅等单级放大电路的设计与仿真，重点突出在源极跟随器增益约为1以及电平转换功能，共源共栅的输出电阻倍增效应，为后面复杂的运算放大器设计做准备。
随后过渡到差分运算放大器的设计，首先以如图3（a）所示基本的双端输入-单端输出运算放大器开始，熟悉差分放大电路的增益摆幅仿真方法。然后在发现其增益并不高后，引入两级运算放大器电路，通过级联一级共源极放大，能够将增益进一步增加。但由于两级放大电路中含有两个极点，因此会引入环路稳定性的问题。由此，通过采用两级运放构成如图3（b）所示的电压跟随器，引导学生进行环路稳定性的分析与仿真，从而进一步引入（b）中的弥勒频率补偿方式，以实现基本的两级运放补偿。
环路稳定性的分析和补偿较为复杂，也是模拟集成电路设计的难点之一，在完成上述实验仿真之后，引入另外一种增加放大倍数而不增加环路极点的方法，即如图4（a）所示的采用共源共栅结构的套筒式差分放大器，在该电路设计分析过程中，重点引导学生学习共源共栅结构及其原理，同时引入最小工作电压的概念，以揭示套筒式放大器输出摆幅和最小电源电压受限的问题，并由此引入折叠式共源共栅放大器电路，如图4（b）所示，以同时获得较高的增益、较小的最小工作电压或较大的输出摆幅。
以上即为数模混合集成电路设计的专业课程设计的主要内容，整个实验课程的重点和难点集中在：（1）Linux环境下Cadence软件的使用；（2）数字电路设计的基本方法（真值表和卡诺图）回顾；（3）MOS晶体管结构和基本参数概念、意义及仿真；（4）环路稳定性及弥勒补偿。整个课程内容较多，课时安排在48学时以上。
3.2版图设计
在模拟集成电路和数模混合集成电路设计中，虽然电路设计难度较高，需求量较大，但版图设计也是必不可少的一环，现今模拟或者数模混合电路设计工程师都必须具有版图设计的能力。除此之外，由于实际芯片设计中版图布局工作量较大，且难度较低，因此众多集成电路设计公司也急缺版图设计工程师，并非常愿意从高校直接招收应届毕业生从事版图设计的工作，可以说，版图设计工程师现今处于供不应求的状态。为此，在学习数模混合集成电路设计仿真的基本流程后，为了完善同学们的集成电路技能，同时与产业界接轨，我们开设了版图设计课程，利用Cadencevirtuoso和Mentor的Calibre工具，教授学生学习数字电路、模拟电路的版图布局设计，提升其分析Foundry基本设计文件的能力。
（1）结合微电子器件结构，熟悉CMOS集成电路芯片生产流程。在学习微电子器件课程之后，同学们有了BJT、PN结、PMOS、NMOS等微电子器件的基本概念，但真实中这些器件如何生产实现，并无直观概念。因此，首先教授集成电路生产流程，重点分析掩膜、光照的概念，然后由此过渡到版图设计课程，即通过阅读分析某个具体工艺的设计文件，分析版图设计中所涉及的所有MASK的作用与意义，并了解每种器件所需的MASK类型。
（2）结合具体工艺的设计规则文件，学习布局规则。针对每种具体的工艺，所能允许的层次之间间距有具体的要求，这个通常由Foundry给出的设计规则文件给出。因此，在进行具体的布局之前，先教授学生学习分析每个所用层次的布局要求，以为接下来的版图布局做准备。
（3）进行具体电路的版图布局，仍从最为简单的反相器开始，以熟悉版图设计的基本操作和MOS晶体管的结构，重点引入衬底和guardring的概念，以防止闩锁效应。然后重点进行设计规则检查DRC和连线关系检查LVS，与电路设计类似，反相器的版图布局设计仍以教师教授、学生跟随为主，以使同学们及时真正掌握版图设计的基本方法。在随后的课程中，逐步进行基础逻辑门的版图布局，并进一步进行电路设计中半加器、全加器、多位全加器开、编/译码器、锁存器、D触发器、以及异步/同步计数器的版图设计。 （4）各类运算放大器模拟版图的布局。与数字电路版图不同，模拟版图要求尽量实现匹配，尤其是在对称的结构中，尤其要注意器件的匹配和Dummy的添加。最为简单的是匹配方式是将对称的两个器件依次布局，并在边缘添加dummy器件，以使两个器件中相邻部分同时变化，并且每个子部分周围环境一致，减小应力不均带来的失配，如图5（a）所示。若对于匹配要求较高的器件，例如运算放大器的差分输入管，可以采用更为匹配度更好的交叉匹配方式，如图5（b）所示。
（5）后仿真。在完成版图设计之后，需要进一步提取由版图布局布线带来的寄生阻容带来的影响，因此，重点学习采用Calibre提取后仿寄生参数的方法，然后基于后仿网表进行后仿真。
至此，便完成了版图设计课程的全部内容，整个实验课程的重点和难点集中在：（1）Linux环境下Cadence版图软件和Calibre软件的使用；（2）Foundry设计规则文件的学习分析；（3）匹配器件的交叉匹配方式。整个实验课程内容较多，课时安排在48学时以上。
3.3数模混合集成电路生产实习
经过上述实验课程的学习，同学们已经基本掌握数模混合集成电路设计、版图布局的基本技能，能够较为熟练的进行简单逻辑以及放大器等功能电路模块的设计、仿真与版图实现，但仍然缺乏集成电路整体系统的概念。因此，在生产实习阶段，进行数模混合集成电路整体工程的设计，该工程将尽量包含上述两门课程所学所有内容，最为合适的电路工程就是带隙基准电路，带隙基准电路是集成电路领域最为基础的电路模块之一，它为整个芯片提供稳定的不随温度、工艺和电源电压变化的基准电压。在带隙基准电路中，将同时包含BJT、MOS、电阻、电容等片上器件，器件种类多；同时包含偏置电流源、启动电路和运算放大器，涉及电路简并态、负反馈环路及其稳定性补偿；涉及上电和掉电使能，以及生产后修调，能够覆盖上下拉电路、基础逻辑门和译码电路等数字电路；涉及温度稳定性和电源抑制比概念及仿真；涉及工艺角和蒙特卡洛统计仿真。在完成整个电路设计后，进行完整功能的带隙基准电压源的版图设计，并实现后仿参数的提取与后仿真，通过版图布局调整或者电路参数的调整，最终实现满足设计要求的带隙基准电压源。
集成电路生产实习将在连续的一段时间内集中完成，通常持续时间为1个月左右，以个人为单位，重点锻炼同学们的电路设计和版图设计能力，以及系统集成能力，进一步加深数模混合集成电路设计的理论概念和设计验证方法。在完成集成电路设计生产实习后，同学们基本具有独立设计实现具体功能模块的能力，不管是进入到产业界进行工作还是继续读研深造，都将具有较强的竞争力。
四、结语
集成电路设计实验课程即使在已经开设集成电路设计专业的高校中仍处于探索的过程，而对于尚未开设集成电路专业的高校，对于该课程的建设和实验教学中的一些具体的方法研究和探讨需要更加深入。我们在数模混合集成电路设计实验课程中，紧密围绕集成电路专业的培养目标，结合产业界的需求和授课老师所具有的丰富的集成电路设计经验，以学生为主体，遵循数模混合集成电路设计的教学规律和实际工程规律，科学设计教学内容和结构，由易到难，由浅入深，针对本门课程实践性强的特点，科学安排三个层次的实践教学内容，从基础电路设计开始，通过版图设计加深理解，最后以完整的电路设计工程锻炼学生的整体设计能力。经过几年的实践，取得了一定的成绩，所培养的学生在众多集成电路设计大赛中获奖，毕业后也深受产业界欢迎。下一步的研究将进一步总结几年来的实验教学经验，继续丰富实验教学内容， 加强教材建设，依托产业界，寻找实际投片机会，真正让学生完成完整、深入的芯片设计流程。
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作者简介：
万美琳（1988-），男，江西临川人，湖北大学物理与电子科学学院，讲师。
基金项目：
湖北大学教育教学改革研究项目（NOs.20150005）