LTspice: бесплатный SPICE-симулятор Analog Devices

Установка и обновление

Установщики скачиваются со страницы LTspice на analog.com: .msi для Windows и .pkg для macOS. Там же лежат сборки, снятые с поддержки: для Windows XP, LTspice XVII для Windows и версия 17.2.4 для macOS — они нужны только для старых систем.

После установки ADI советует держать в актуальном состоянии и программу, и библиотеки:

• Help → Check for LTspice Updates — обновление самой программы;
• Tools → Update Components — обновление моделей и примеров.

Файлы ADI лежат в папке %localappdata%\LTspice, и править их не нужно: при обновлении библиотеки перезаписываются, а ADI просит пользователей не править файлы в этой папке. Свои дискретные компоненты с версии 24 кладут в пользовательские файлы user.dio, user.mos, user.res, user.cap, user.ind, user.bead, user.jft, user.bjt в папке Documents\LTspice (её можно сменить в Settings → Search Paths).

В версии 24 сменились сочетания клавиш по умолчанию. Шпаргалка открывается из меню Help, а прежние клавиши возвращает Edit Keyboard Shortcuts → Restore LTspice Classic Values. Поэтому старые инструкции с клавишами F2, F3 или S могут не совпадать с вашей версией — проверяйте по меню.

Первая схема

Проще всего начать с готового примера. Для микросхем ADI: File → New Schematic, затем Edit → Component (клавиша P), найти микросхему и нажать Open Example Circuit — откроется схема с питанием, источниками сигнала и командой моделирования. Учебные примеры открываются через File → Open Examples, папка Educational. Демонстрационные схемы к микросхемам есть и на страницах продуктов analog.com, раздел Tools & Simulations.

Схема с нуля собирается так:

1. File → New Schematic, компоненты — Edit → Component (P). Резисторы, конденсаторы, катушки, ферритовые бусины, диоды и транзисторы имеют библиотеки моделей: по правому клику на компоненте открываются его атрибуты и кнопка выбора модели.
2. Провода соединяют выводы; в схеме обязательно нужна земля — узел 0 в терминах SPICE.
3. Номиналы вводят правым кликом на значении. У источника напряжения есть простые и расширенные (кнопка Advanced) параметры — синус, импульсы, амплитуда для AC-анализа.
4. Команду моделирования задают в Simulate → Configure Analysis (в версии 24 и новее — клавиша A): вкладки соответствуют видам анализа, а результат записывается на схему текстом директивы. Любую директиву можно вписать и вручную: Edit → SPICE Directive или клавиша «.».
5. Запуск — Simulate → Run. LTspice строит по схеме список цепей (netlist) и моделирует его; посмотреть список — View → Spice Netlist.

Схемы хранятся в файлах .asc, символы — в .asy. Схемы .asc выгружают и инструменты ADI: Analog Filter Wizard, Signal Chain Designer, LTpowerCAD и другие.

Запись чисел и единиц

LTspice не различает регистр, и отсюда главная ловушка новичков:

Единицу измерения после числа писать не нужно, а «фарада» буквой F как раз превращается в «фемто». Запись с буквой вместо запятой (3k4 = 3,4k) с версии 24.1 принимается всегда.

Модели компонентов

Модели из комплекта

Для дискретных компонентов LTspice поставляет библиотеки моделей сторонних производителей: щёлкните правой кнопкой по транзистору или диоду и нажмите Pick… или Select — откроется список. Модели микросхем ADI выбираются как отдельные компоненты в Edit → Component.

Сторонние модели .model и .subckt

Модель, которой нет в библиотеке, берут у производителя компонента. По статье ADI 2025 года процесс зависит от типа модели:

Несколько важных деталей:

• в Value пишут имя модели из файла, а не имя файла: в одном файле может быть несколько моделей;
• для модели ОУ берут обобщённый символ opamp2, а не символ конкретной микросхемы ADI вроде AD822;
• если готового символа нет, щёлкните правой кнопкой по имени подсхемы в файле и выберите Create Symbol — LTspice нарисует символ сам. Потом в атрибутах символа (Attributes → Edit Attributes) удалите путь из поля ModelFile, чтобы проект открывался на другом компьютере;
• зашифрованную модель трудно разобрать: с вопросами по ней ADI советует обращаться к поставщику модели;
• чтобы отправить проект коллеге, сложите в одну папку схему .asc, символы .asy и все файлы, подключённые через .lib.

Команды моделирования

В ADI перечисляют такие виды анализа: переходный процесс (.tran), частотный малосигнальный (.ac), шумы (.noise), рабочая точка по постоянному току (.op), развёртка по постоянному току (.dc), передаточная функция (.tf) и частотная характеристика методом переходного анализа (.fra) — самая новая из них. Отдельно есть директивы, которые меняют параметры и обрабатывают результаты: .step, .meas, .param, .ic.

Кроме .step param для разброса номиналов есть функции gauss(x) (нормальное распределение), flat(x) (равномерное от −x до x) и mc(x,y) (равномерное от x·(1−y) до x·(1+y)): они дают новое случайное значение в каждом прогоне, и по множеству прогонов оценивают статистический разброс. Подробное описание каждой директивы — во встроенной справке: Help → LTspice Help или F1.

Просмотр результатов

После запуска открывается окно графиков. Щелчок по проводу на схеме выводит напряжение относительно земли, протягивание от одного провода к другому — разность напряжений, щелчок по двухвыводному компоненту — ток через него. Трассу можно добавить и через Plot Settings → Add a Trace. Выделение области мышью увеличивает график и заодно показывает dx, dy и наклон; пробел возвращает полный масштаб. С версии 24 курсоры добавляются кнопками и пунктами меню, а Esc их убирает.

Результаты .meas, сообщения об ошибках и время моделирования пишутся в SPICE Error Log (Ctrl+L). Если в схеме есть .step, правый клик по журналу → Plot .step'ed .meas data строит измеренную величину в зависимости от шагового параметра.

Пример: проверяем частоту среза RC-фильтра

Возьмём RC-фильтр нижних частот: резистор R1 = 10 кОм последовательно, конденсатор C1 = 10 нФ на землю, на входе источник V1 с амплитудой AC 1 В.

Расчёт по формуле, которую использует калькулятор RC-фильтра:

На этой частоте коэффициент передачи равен $1/\sqrt{2} \approx 0{,}707$ (−3,01 дБ), а сдвиг фазы −45°. На частоте 10·fср ослабление около −20 дБ — фильтр первого порядка спадает на 20 дБ на декаду.

Директива на схеме:

.ac dec 100 10 1Meg

1. Источнику V1 задайте амплитуду AC 1 В: правый клик по источнику, кнопка Advanced, поле амплитуды для AC-анализа.
2. Директива задаёт AC-анализ от 10 Гц до 1 МГц, 100 точек на декаду.
3. Запустите моделирование и щёлкните по выходу фильтра — на графике появятся амплитуда в децибелах и фаза.
4. Поставьте курсор на уровень −3 дБ: частота должна совпасть с расчётной 1,59 кГц с точностью до шага сетки частот, фаза — около −45°.

Проверить расчёт одной цифрой и заодно увидеть влияние разброса ёмкости поможет приём из статьи ADI об AC-анализе: номинал конденсатора замените на {C}, а вместо развёртки по частоте поставьте две директивы:

.step param C list 9n 10n 11n
.ac list 1.5915k

Анализ пройдёт только на расчётной частоте среза, а график покажет коэффициент передачи в зависимости от ёмкости: при 10 нФ — 0,707 (−3,01 дБ). При 9 нФ он будет больше, при 11 нФ — меньше: частоты среза у этих вариантов 1768 и 1447 Гц. Схема с реальным источником и нагрузкой сдвинет частоту среза — это видно и в калькуляторе, если задать сопротивления источника и нагрузки.

Частые ошибки и проблемы со сходимостью

Не находится рабочая точка

Перед переходным анализом симулятор ищет рабочую точку по постоянному току. По руководству ngspice поиск срывается, если:

• у узла нет пути к земле по постоянному току — например, он соединён с остальной схемой только через конденсаторы (два последовательных конденсатора);
• в схеме нет земли — у каждой SPICE-схемы должен быть узел 0.

Облегчают поиск начальные условия для проблемных узлов — директива .ic.

Если LTspice долго висит в режиме «Damped Pseudo-Transient Analysis» (так он ищет начальную рабочую точку), то, по статье ADI, когда это допустимо для вашей задачи, нажатие Esc пропускает поиск рабочей точки; то же делает галочка «Skip initial operating point solution» в настройках .tran. Трудно найденную рабочую точку можно сохранить командой .savebias и загружать в следующих запусках через .loadbias. Ускорить моделирование помогают также поздний старт записи данных в .tran и .save только для нужных сигналов.

«Time step too small»

Это сообщение появляется уже после того, как рабочая точка найдена: переходный анализ не может продвинуться дальше, потому что шаг по времени ушёл ниже допустимого. Руководство ngspice называет его знаменитым и признаёт, что причин много; помочь может аккуратная подстройка параметров переходного анализа. Начните с журнала: в LTspice 24.1 и новее .option debugtran добавляет в него отчёт о трудностях сходимости.

Другие типичные ошибки

LTspice, ngspice и Qucs-S

Ngspice можно переключить в режим совместимости с LTspice: строка set ngbehavior=lt в файле spinit или .spiceinit переводит на синтаксис ngspice всё, что подключено через .include, а set ngbehavior=lta — весь список цепей. Поддерживается только часть специфичных функций LTspice. Этот же ngspice встроен в KiCad, так что схему, уже нарисованную для платы, можно промоделировать там, а LTspice оставить для схем с моделями ADI.