Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Б. Г. КОШАЕВ А. Е. СИНЕВ

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Б. Г. КОШАЕВ А. Е. СИНЕВ

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Лабораторный практикум

УДК 621.38.63(07)

ББК З 85я7 + Ж.с11я7

К 76

Кошаев Б. Г., Синев А. Е. Компьютерное моделирование и проектирование электронных приборов: Лабораторный практикум /Под ред. В. Б. Янкевича. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2000. 48 с.

Кратко рассмотрены вопросы математического моделирования и методика компьютерного моделирования основных физических процессов в электронных приборах.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 550700 “Электроника и микроэлектроника” и по специальности 200300 “Электронные приборы и устройства”.

Рецензенты: кафедра физической электроники радиофизического факультета СПбГТУ, канд. техн. наук Зуев Ю. Н. (НИИЭФА им. Ефремова).

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве лабораторного практикума

ISBN 5–7629–0346–Х © СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2000

Введение

Настоящий лабораторный практикум является первым изданием из планируемой серии учебно-методической литературы, посвященной изучению принципов широко используемого в современной инженерной практике компьютерного моделирования и проектирования электронных приборов различного назначения. Сам термин “компьютерное моделирование и проектирование” отражает сложившуюся с развитием вычислительной техники ситуацию, когда решение большинства научных и технических задач возможно только с использованием компьютеров. Компьютерное моделирование и проектирование электронных приборов – это процесс, который в известной степени условно можно представить в виде нескольких логично связанных между собой последовательных этапов:

1. Построение физической модели прибора, под которой понимается описание его конструкции, в которой при определенных условиях реализуются физические процессы, лежащие в основе принципа действия прибора.

2. Построение математической модели прибора, т. е. запись исходных уравнений, которые в совокупности с начальными, граничными и дополнительными условиями, характеризующими специфические особенности физической модели, описывают физическую модель.

3. Анализ свойств математической модели, позволяющий обоснованно выбрать метод решения уравнений – аналитический или численный.

4. Выбор метода решения уравнений, описывающих математическую модель, и исследование свойств выбранного метода, таких как точность, скорость сходимости, устойчивость, полнота.

5. Программная реализация выбранного метода решения.

6. Решение математической модели.

7. Оценка адекватности полученных результатов решения исходной физической модели.

8. Модификация (если необходимо) математической, а возможно, и физической модели, т. е. построение модели более высокого уровня за счет включения в нее дополнительных факторов, которыми ранее, казалось, можно было пренебречь.

9. Моделирование режимов работы различных вариантов конструкции в пределах области применимости выбранных физической и математической моделей прибора с целью выбора оптимального варианта прибора, т. е. удовлетворяющего заранее сформулированным критериям оптимальности.

10. Подготовка конструкторско-технологической документации на изготовление оптимального варианта конструкции прибора с использованием стандартных программных средств.

Указанные этапы хотя и не раскрывают всей сложности проблемы, однако, на наш взгляд, в целом дают представление о том, что означает термин “компьютерное моделирование и проектирование электронных приборов”. Следует также отметить, что наиболее сложными из перечисленных, т. е. требующими достаточно высокой квалификации, являются этапы 2–8, которые составляют содержание процесса математического моделирования электронных приборов.

С хематично описанный процесс можно представить в следующем виде

Известно, что в основе принципов действия классических электронных приборов – вакуумных, плазменных, твердотельных – лежат различные физические процессы и связанные с ними эффекты, проявляющиеся при движении заряженных частиц (носителей заряда) в разных средах (вакуум, плазма, твердое тело) под воздействием полей – электростатических, магнитостатических, электромагнитных. Однако в конструкциях приборов указанных типов можно выделить так называемые базовые устройства (системы), предназначенные для выполнения идентичных функций. К таким системам относятся:

• системы формирования потоков заряженных частиц;

• системы формирования различных видов полей, воздействующих на потоки заряженных частиц;

• системы теплоотвода, в которых происходят процессы рассеяния остаточной энергии потоков заряженных частиц.

Очевидно, что в электронных приборах указанных типов все перечисленные системы имеют различное конструктивное исполнение и, кроме того, эти приборы отличаются друг от друга целым рядом других специфических конструктивных особенностей. Таким образом, физические модели вакуумных, плазменных и твердотельных электронных приборов в принципе известны и различны. Вместе с тем, математическую модель этих типов приборов можно построить в обобщенном виде. Тогда каждая частная модель может быть получена из обобщенной, если будут учтены только те факторы и условия, которые характеризуют особенности электронного прибора конкретного типа. Однако в построении обобщенной модели нет практического смысла, поскольку ее вряд ли можно и нужно модифицировать до модели требуемого высокого уровня. Поэтому на практике задачи компьютерного моделирования и проектирования электронных приборов указанных типов решаются в отдельности.

В настоящем практикуме приводятся описания лабораторных работ по компьютерному моделированию простейших из указанных типов приборов – вакуумных электронных приборов (ВЭП). Следуя приведенной ранее логике рассуждений, возможность выделения в ВЭП базовых конструктивных устройств, реализующих основные физические процессы, позволяет провести систематизацию самих этих процессов [1]:

• эмиссия заряженных частиц (электронов, ионов);

• формирование и транспортировка потока заряженных частиц в электрических и магнитных полях;

• управление потоком заряженных частиц (изменение параметров потока);

• преобразование энергии потока заряженных частиц в энергию выходного сигнала;

• преобразование остаточной энергии потока заряженных частиц в тепловую энергию.

Из изложенного следует, что компьютерное моделирование ВЭП в конечном итоге сводится к решению ряда тесно связанных между собой задач, из которых в настоящем издании внимание уделяется следующим:

• моделированию систем формирования электрических и магнитных полей (решение полевых задач);

• моделированию процессов движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях в вакууме (проведение траекторного анализа).

Программа выполнения лабораторных работ предусматривает, с одной стороны, приобретение студентами практических навыков работы с известными специализированными, а также оригинальными авторскими программными средствами, обеспечивающими, в частности, возможность визуализации моделируемых физических процессов (MathCAD, MRS, Tesla и др.), а с другой – приобретение навыков программирования простейших математических моделей. При этом основной акцент делается на исследование влияния различных факторов на параметры моделируемого физического процесса.

Таким образом, студентам предоставляется возможность самостоятельно “прощупать” особенности использования физических и математических моделей, алгоритмов решения, оценить точность полученных решений, “почувствовать разницу” между аналитическими и численными методами решения.