Эта статья была опубликована в audioXpress в июньском номере 2026 года.
В мартовском выпуске 2025 года audioXpress мы попросили Тима Маккьюна, бывшего президента Linear Integrated Systems (Линейные системы), в настоящее время консультирующего Qorvo, взять интервью у Майка Энгельхардта, создателя QSPICE simulation suite, и обсудить, как этот набирающий популярность инструмент может помочь решить многие проблемы, с которыми могут столкнуться аудиорежиссеры, моделирующие свои схемы. Моделирование используется во всех областях звукового дизайна, но конкретных рекомендаций по его применению в аудио недостаточно, и, естественно, audioXpress задал несколько вопросов. В этой статье мы кратко изложим основные ответы, полученные от Майка Энгельхардта.
Физик, инженер-схемотехник и предприниматель Майк Энгельхардт пишет симуляторы с 1975 года. Его работа в области аналогового моделирования смешанных сигналов, последовавшая за созданием популярного симулятора LTspice, получила широкое признание. LTspice стал отраслевым стандартом SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) — инструмента, разработанного в 1970-х годах в Калифорнийском университете в Беркли (деятельность признана нежелательной в России), где Майк Энгельхардт учился с 1980 по 1983 год. В 2020 году Майк, который сейчас работает в компании Marcus Aurelius Software, LLC, создал QSPICE.
Если LTspice изначально распространялся как бесплатная версия SPICE от компании Linear Technology (ныне входящей в состав Analog Devices), то буква Q в названии QPSICE теперь означает Qorvo — компанию, которая поддержала новую разработку. С момента запуска Майк Энгельхардт неустанно путешествует, читает лекции и проводит онлайн-вебинары, рекламируя новое программное обеспечение для схемотехнического моделирования, которое обеспечивает более высокую скорость работы, лучше соответствует принципам SPICE и устраняет проблемы с конвергенцией. Постепенно QSPICE, похоже, получает все более широкое распространение. Доказано, что он способствует разработке энергоэффективных схем, поэтому его настоятельно рекомендуют использовать в любых новых проектах.
Майк Энгельхардт пишет симуляторы с 1975 года. Он читал лекции по проектированию и моделированию аналоговых схем по всему миру.
audioXpress: QSPICE теперь поддерживается компанией Qorvo. Что значит для развития бизнеса компании поддержка такого бесплатного программного инструмента?
Майк Энгельхардт: Репутация корпорации дорогого стоит. QSPICE привлекает внимание к компании Qorvo как к лидеру в области аналоговой, смешанной и радиочастотной электроники.
audioXpress: Самый частый вопрос, особенно от авторов, которые много времени потратили на изучение LTspice, звучит так: «Зачем мне переходить с LTspice на QSPICE?»
Майк Энгельхардт: QSPICE привлекателен по пяти причинам. Во-первых, это улучшенная базовая функциональность SPICE. QSPICE решает традиционные задачи SPICE гораздо быстрее и с меньшим количеством проблем с сходимостью благодаря:
-
- отсутствию разрывов в вольт-амперных характеристиках устройств;
- обновленным уравнения для устройств;
- обновленным методам работы с разреженными матрицами;
- новому управлению временным шагом.
Во-вторых, QSPICE предлагает феноменальное моделирование смешанных сигналов, позволяющее любому пользователю просто нарисовать символ, ввести код и запустить программу. QSPICE также поддерживает C++, Verilog, Python, Java и Rust. Код компилируется в собственный машинный код, и в результате цифровая логика в QSPICE работает быстрее, чем на аппаратном уровне.
Третья причина — набор инструментов для создания моделей. Вы можете оцифровать техническое описание из файла .pdf прямо на экране и использовать надежные модели в качестве собственных устройств QSPICE, а не вложенных схем.
Четвертый аспект — гораздо более качественная графика. QSPICE постоянно использует графический процессор для создания качественной графики. Кроме того, это ускоряет построение графиков в 100 000 раз, поэтому данные осциллограмм не нужно сжимать.
Наконец, не менее важным аспектом является отсутствие лицензионных ограничений. QSPICE могут использовать все желающие, даже конкуренты Qorvo.
audioXpress: Обе программы бесплатны, однако их использование может быть ограничено. Не могли бы вы рассказать об этом подробнее?
Майк Энгельхардт: Я написал LTspice, чтобы продавать продукцию Linear Technology. Это было очень эффективно. Если вы можете смоделировать продукт, вы можете его продать. Но конкурентам запрещено использовать LTspice. QSPICE работает по-другому. QSPICE — это репутация Qorvo, то есть то, что у Qorvo лучший и самый современный SPICE-движок. Пользоваться QSPICE может каждый.
С помощью QSPICE разработчики могут быстрее и проще моделировать более сложные детали и схемы, чем с помощью других программ для моделирования SPICE-схем.
audioXpress: Но в LTspice есть качественные модели как для компонентов LT, так и для компонентов Analog Devices…
Майк Энгельхардт: Я пользуюсь только QSPICE. LTspice остался в прошлом. Я бы работал в условиях ограничений LTspice только в том случае, если бы пытался смоделировать продукт LT или Analog Devices, потому что тогда вам пришлось бы покупать детали у этих компаний.
audioXpress: Майк Энгельхардт — движущая сила обоих симуляторов. Кто сейчас занимается разработкой и поддержкой LTspice? Что думаете о будущем LTspice?
Майк Энгельхардт: Я написал LTspice 25 лет назад. Я написал его очень быстро — первый релиз вышел примерно через 10 месяцев. В LTspice нет ничего такого, что нельзя было бы или даже не стоило бы сделать лучше. Поэтому я написал QSPICE.
Понимаете, в инженерии так: какой бы хорошей ни была ваша работа, всегда найдется решение получше. И прелесть разработки программного обеспечения в том, что мне нужно только ввести его.
audioXpress: Другой часто задаваемый вопрос — о возможности конвертировать проекты из LTspice в QSPICE в будущем. Проприетарные модели нельзя экспортировать из LTspice, как и устройства Analog Devices. Многие пользователи годами собирали собственные библиотеки рабочих моделей для LTspice. Можно ли импортировать эти модели в QSPICE? Или единственный вариант — работать через список соединений?
Майк Энгельхардт: Полезный совет: просто научитесь работать в QSPICE. Честно говоря, даже мне, проработавшему с QSPICE около 20 минут, трудно вернуться к графическому интерфейсу LTspice, которому уже 25 лет. Однако не стоит забывать, что на момент выпуска оба симулятора были передовыми в плане дизайна пользовательского интерфейса. QSPICE требует меньше движений мыши и взгляда, потому что в нем меньше всплывающих диалоговых окон, но при этом больше подсказок. Это будет более современный графический интерфейс, чем те, что вы видели в других инструментах автоматизированного проектирования электроники. Обратите внимание, что в QSPICE улучшена возможность импорта сторонних моделей. Вы даже можете перетащить файл Touchstone S2P в QSPICE, и QSPICE синтезирует схему и создаст символ, чтобы вы могли сразу приступить к моделированию с использованием этого файла Touchstone.
audioXpress: Кстати… В каждом крупном программном обеспечении для автоматизированного проектирования электроники (EDA) уже есть средства для моделирования. Как вы видите место QSPICE в корпоративной среде, в том числе там, где использование свободного программного обеспечения запрещено из-за возможных проблем с безопасностью и соблюдением нормативных требований? Можете ли вы прокомментировать это?
Майк Энгельхардт: Да, LTspice был принят в качестве эталонного симулятора для некоторых компаний из индекса S&P 500, но QSPICE затмит по популярности LTspice, когда люди поймут, насколько он хорош. С QSPICE вам не придется беспокоиться о безопасности. Он разработан в более защищенной среде, чем другое коммерческое программное обеспечение (например, он не связан с облаком и имеет цифровую подпись с наивысшим уровнем защиты).
QSPICE — это не только отличный инструмент для тестирования схем и анализа принципиальных схем, но и прямая ссылка на проверку цен и наличия деталей прямо в программе. В этом примере со схемой аудиоусилителя Nelson Pass показаны опции «Купить сейчас» на сайтах Mouser и DigiKey.
audioXpress: Что такое SPICE-модель?
Майк Энгельхардт: Традиционно существует два основных класса моделей SPICE: встроенные устройства (расширение .model) и подсхемы (расширение .subckt). Под моделью, реализованной как встроенное устройство, я подразумеваю, что SPICE включает в себя реализацию этого устройства, и модель лишь предоставляет параметры для встроенных в SPICE уравнений устройства. Обычно так моделируют диоды и транзисторы, хотя нелинейные модели конденсаторов и резисторов тоже могут быть реализованы таким образом.
Подсхема — это следующий уровень сложности. Здесь автор модели понимает, что в SPICE нет реализации для моделируемого устройства, поэтому для имитации поведения моделируемого устройства собирается воедино набор встроенных в SPICE устройств, каждое из которых имеет собственный файл .model. Типичными примерами являются операционные усилители, логические элементы и практически любая интегральная схема.
Обратите внимание, что для простых устройств, таких как диоды или транзисторы, часто используется подсхема, если необходимо смоделировать аспекты, не включенные в стандартную реализацию SPICE. Например, если вы хотите смоделировать индуктивность транзистора в корпусе, используется подсхема. В QSPICE есть еще один способ реализации модели. Цифровую логику можно реализовать на C++. QSPICE скомпилирует ваш код в .DLL и свяжет его с симуляцией. Это лучший способ моделирования усилителей класса D, поскольку он позволяет использовать сколь угодно большое количество цифровой логики.
При использовании моделей вы можете бороться со SPICE или делать так, как хочет SPICE. Если вы делаете так, как хочет SPICE, то используете встроенные устройства с параметризуемыми уравнениями. Модель включает в себя параметры, которые позволяют уравнениям встроенных устройств работать так, как вам нужно. Это работает с транзисторами, диодами, конденсаторами, катушками индуктивности и тому подобным.
audioXpress: Чем модели QSPICE отличаются от моделей, используемых в других программах SPICE?
Майк Энгельхардт: В QSPICE внесено множество дополнений и исправлений в базовую реализацию устройств, что позволяет поддерживать большее количество устройств, не прибегая к использованию подсхем. Например, добавлена поддержка устройств WBG, подпороговых и квазинасыщенных полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, а также большая библиотека новых SPICE-устройств для поддержки вентилей, триггеров, цифровых фазовых/частотных детекторов, триггеров Шмитта, усилителей с высокой крутизной и интерфейса I²C. В QSPICE также можно реализовать цифровую логику непосредственно на C или C++. Это позволяет использовать большое количество цифровой логики в обычном SPICE-моделировании без лишних затрат.
Основная цель — дать возможность запускать существующие модели, а также предоставить разработчикам моделей более широкий набор языков SPICE. Хотя все знают, что я написал LTspice, они могут не знать, что большинство моделей в LTspice создал я. Создание этих моделей в LTspice требует больших усилий, поэтому был написан QSPICE, который упрощает создание моделей более чем в 10, а возможно, и в 100 раз.
В QSPICE есть генератор моделей, который создает модели полевых МОП-транзисторов, полевых транзисторов с изолированным затвором и диодов на основе информации, содержащейся в большинстве технических описаний. Чтобы открыть генератор моделей, выберите «Файл» и нажмите «Генератор моделей». После ввода характеристик постоянного тока компонента скопируйте кривые из технического описания в генератор моделей QSPICE, чтобы быстро создать новую модель.
audioXpress: Производители малосигнальных дискретных компонентов часто жалуются на то, что модели имеют разную степень неточности. Похоже, это довольно распространенная претензия в отношении многих или даже большинства полупроводниковых компонентов. Так ли это?
Майк Энгельхардт: Качество сильно варьируется. Некоторые модели можно использовать, в то время как другие просто удовлетворяют запросы клиентов и на самом деле непригодны для использования. Хорошая новость заключается в том, что модели диодов и биполярных транзисторов зачастую вполне хороши. А вот модели полевых МОП-транзисторов обычно таковыми не являются.
Сложность моделирования полевых МОП-транзисторов заключается в том, что дискретный полевой МОП-транзистор обычно имеет вертикальную структуру, а в большинстве программ SPICE нет уравнений для моделирования вертикального полевого МОП-транзистора. Исторически сложилось так, что SPICE был разработан для проектирования интегральных схем, а вертикальный полевой МОП-транзистор невозможно разместить на интегральной схеме.
Разница между этими двумя структурами заключается в том, что емкость затвор-сток у них совершенно разная. Вертикальная структура имеет сильно нелинейную емкость затвор-сток. Когда полевой МОП-транзистор выключен, емкость затвор-сток мала, поскольку канал, расположенный между затвором и стоком, не проводит ток. Но когда полевой МОП-транзистор включен, емкость затвор-сток примерно в пять раз больше.
Поскольку эта емкость Миллера определяет динамическое поведение полевого МОП-транзистора при переключении, без нее невозможно создать реалистичную модель. В QSPICE реализована эта нелинейная емкость, поэтому от модели требуется только задать параметры для настройки встроенных уравнений устройства. В результате получается модель, отражающая поведение устройства.
Некоторые производители полупроводников знают, что большинство SPICE-программ не могут корректно отобразить динамическое переключение полевого МОП-транзистора, поэтому разрабатываются сложные модели подсхем. Эти модели часто непригодны для практического моделирования. В то время как SPICE-программы обычно справляются с моделированием многих тысяч полевых МОП-транзисторов, всего несколько таких сложных моделей вертикальных МОП-транзисторов приводят к сбою SPICE-симуляторов. Например, SPICE-симулятор должен быть способен рассчитать схему со 100 000 транзисторов. Пара транзисторов не должна существенно влиять на время моделирования схемы.
audioXpress: Как лучше всего собирать данные для SPICE-моделей?
Майк Энгельхардт: Прежде чем приступить к этому шагу, необходимо понять, какое устройство вы моделируете и как оно используется. Это значит, что у вас должен быть опыт проектирования схем, в которых используется компонент, для которого вы хотите создать модель. На самом деле лучше иметь более обширный опыт проектирования схем, чем у тех, кто будет использовать вашу модель. Например, если вы работаете в компании-производителе полупроводников, вам нужен более обширный опыт проектирования, чем у штатных инженеров-разработчиков, которые будут использовать модель.
Теперь, чтобы получить данные, вы можете воспользоваться техническим описанием. Оно может быть достаточно полным и точным. В противном случае, если речь идет о дискретных устройствах, вам придется измерять данные самостоятельно. Вам понадобится осциллограф для импульсных сигналов. Даже малосигнальное устройство следует измерять с помощью осциллографа для импульсных сигналов, чтобы избежать повышения температуры во время измерения. Я пришел к выводу, что мне нужно собрать свой собственный осциллограф.
Это согласуется с тем фактом, что, насколько я знаю, большинство полупроводниковых фабрик создают собственные трассировщики кривых. При моделировании интегральной схемы лучше всего напрямую обратиться к разработчику. Ни у кого другого не будет более четкого представления о том, как работает интегральная схема. Маловероятно, что техническое описание или эксперименты на стенде дадут вам такое же понимание, как общение с разработчиком интегральной схемы.
audioXpress: Одна из новых функций QSPICE — генератор моделей для диодов, полевых МОП-транзисторов и полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. Как это может помочь при проектировании аудиосхем?
Майк Энгельхардт: Эти новые инструменты для создания моделей позволяют любому пользователю создать модель на основе технического описания. Особенно хорошо это работает с полевыми МОП-транзисторами, поскольку в техническом описании обычно содержится достаточно информации, чтобы учесть области триода и насыщения, а также диод тела и заряд затвора. Я бы больше доверял модели полевого МОП-транзистора, разработанной с помощью этого инструмента, чем модели от производителя.
Недавно добавленная функция QSPICE — Qorvo Sound Card Scope. Qorvo Sound Card Scope от Qorvo показывает выходные данные вашей звуковой карты во временной и частотной областях. Чтобы воспользоваться этой функцией, откройте меню «Файл».
audioXpress: Среди других новых функций QSPICE — комбинированный осциллограф/анализатор спектра и генератор тональных сигналов. Как они работают?
Майк Энгельхардт: Большинство ПК оснащены 24-разрядными АЦП и ЦАП, которые могут выполнять оцифровку на частоте 192 кГц. Пункт основного меню
Файл → Звуковая карта → Scope / Spectrum Analyzer
позволяет использовать звуковую карту в качестве осциллографа или анализатора спектра. Я нахожу это полезным для настройки моей звуковой полосы и эквалайзера. Он сообщает мне частоту, на которую нужно установить де-эссер. Кроме того, я немного расширил диапазон своих носовых звуков.
(Примечание: пункт основного меню Файл → Звуковая карта → Генератор звуковых сигналов позволяет генерировать звуковые сигналы. Приятно протестировать Scope / Spectrum Analyzer).
audioXpress: Значит, это стало результатом вашей работы по аудиодизайну?
Майк Энгельхардт: Да. Я провожу семинары SPICE уже более 25 лет, путешествуя со своей собственной системой звукоусиления: микрофоном Countryman, активным эквалайзером, усилителем класса D и герметичным линейным источником звука. Она заменила кучу тяжелого оборудования. Электроника была размером с колоду карт. Я сконструировал динамик на основе параметров широкополосных динамиков Тиле-Смолла. Динамик, который поместился бы в мой чемодан, мог бы воспроизводить ровный звук вплоть до 130 Гц. Поэтому я использовал активное преобразование Линквица и компенсатор ступенчатого изменения импеданса, которые обеспечили ровный звук вплоть до 80 Гц. Я знал, что это магическое число, потому что спектральный анализ моего голоса не выявил частот ниже 80 Гц.
Это была невероятная система звукоусиления, которая поместилась бы в 23-дюймовую сумку вместе со всем остальным, что мне нужно было для двухнедельной командировки. В зале могло быть 200 человек, а для парня в дальнем углу звук был таким, будто я стою прямо рядом с ним. Это была настолько точная система, что, даже надев микрофон, я едва слышал систему звукоусиления.
В общем, поскольку я знал, как получить доступ к звуковой карте при разработке этой системы звукоусиления, я подумал: почему бы не объединить ее с графикой QSPICE и не включить в релиз QSPICE? Сегодня я использую инструмент Scope / Spectrum Analyzer для настройки звуковой полосы для своих веб-интервью. В звуковой полосе есть де-эссер. У него две ручки. Одна задает частоту «S» для обнаружения.
Звуковая карта QSPICE проста в использовании и отображает полезную информацию о сигнале.
Второй параметр — на сколько децибел нужно ослабить эту частоту, если контент обнаружен на этой частоте. У мужских голосов частота может меняться на октаву, так что лучше не гадать. Я использую спектральный анализатор QSPICE: просто произношу в микрофон звук «с», смотрю на пиковую частотную характеристику и устанавливаю частоту де-эссера на этом уровне. Чтобы настроить второй регулятор, я считаю до шести и включаю де-эссер на «шесть».
В моей системе для веб-трансляций также есть 64-полосный эквалайзер. Я использую его, чтобы ослабить назальные частоты на несколько децибел. Чтобы определить диапазон назальных частот, я просто ржу, как лошадь, и смотрю, какие частоты являются пиковыми в анализаторе спектра. Я не корректирую частотную характеристику с помощью графического эквалайзера, этим занимается микрофон SM7B.
В конце концов, я думаю, что благодаря этому мой голос больше похож на голос диджея FM-джаза. Для меня это значит, что я не пытаюсь тщетно добиться максимально аутентичного звучания своего голоса, а свободно редактирую его, чтобы сделать более приятным для восприятия — или хотя бы менее утомительным.
Для получения дополнительной информации о QSPICE — посетите сайт Qorvo QSPICE.