Scilab/Xcos上でのModelicaモデルのデモを回路シミュレーションならLTspiceでいいじゃんとかブツブツ言いながら「鑑賞」中。前回は理想オペアンプでした。今回はスイッチドキャパシタです。繰り返しているうちに、Modelicaモデルの「理想」の世界も良いモンだと思い始めました。原理を見つめられる？
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※動作確認にはWindows 11の パソコン(64bit)上にインストールしたScilabの以下バージョンを使用しています。
Scilab 2024.0.0
※お惚け老人に代わって Googleの生成AI、Gemini 2.5 Flash 様にご説明をいただいた部分があります。
「スイッチドキャパシタ積分器」デモ
今回練習してみるのは、Scilabのデモ選択ウインドウから以下で起動できるものです。
上記から開く Xcos(Scicos)のフローが以下に。Modelicaブロックを散りばめた回路になってます。通常のXcosブロックとは異なり、Modelicaブロックどもは裏でコンパイル（Cコンパイラ）してから動作するものどもです。
以下はお惚け老人が勝手な見解も書き加えてます（個人の見解デス。）なお、横に書き添えた定数は、ロードしただけでは値が表示されないModelicaブロックなので、内部を開いて読み取った値です。
回路的には「ほぼ等価な」積分器が上下に２個ならんでます。どちらも例によってModelicaブロックの「理想オペアンプ」を使った回路です。下側の方は通常の抵抗器を使って定数決めてます。そして上側の方がスイッチドキャパシタ回路によって「等価な抵抗」を実現した積分器となってます。
積分対象の波形は、振幅0.1V（オフセット0V）、周波数4kHzの正弦波です。そしてスイッチドキャパシタ回路を駆動する発振波形は100kHzの矩形波です。
シミュレーション結果が以下のようになります。赤色の方が下側の「通常の積分器回路」の出力波形で、青色のガタガタ階段状になっているのが上側の「スイッチドキャパシタ」応用の積分器の出力波形です。
スイッチドキャパシタ
別シリーズの過去回で、スイッチドキャパシタを利用したデバイスを取り上げさせていただいた回が何度かあります。
部品屋根性(104) LTC1144、スイッチトキャパシタコンバータ、正電源から負電源に変換
部品屋根性(105) LTC1144、スイッチトキャパシタコンバータ、２倍の電圧に昇圧
定番回路のたしなみ(17) LT1054スイッチトキャパシタ電圧コンバータで正から負
定番回路のたしなみ(18) LT1054チャージポンプで今度は正から正、正電圧ダブラ
いずれも現物回路対象で、現物回路の実験だけでなくLTspice使用した現物世界に近いシミュレーションもやってます。しかし、今回のXcosシミュレーションは内部の回路は「理想」デス。あれやこれやの現物世界のしがらみ？を離れ、原理に思いを馳せるべきでしょうな。しかしながらアナログ素人老人には説明が覚束ないので、全面的にGoogleの生成AI、Gemini様にお願いしてしまいました。く～、よくわかる説明だな。Gemini、流石だ。
上の赤枠内に、周波数とキャパシタの容量から等価抵抗を計算する式があげられてます。今回の回路では、fs=100kHz、C＝10pF、よって等価抵抗Req＝1MΩとな。比較用の積分器と等価になるように設定されとります。
上記のうちチャージポンプ（DCDCコンバータ）回路については、上の過去回にて実機動作等もさせております。
また、以下のメリット、デメリットは分かりやすいっす。IC上で実現が一番「簡単」なのはトランジスタ（スイッチ）、難しいのがインダクタです。キャパシタンスは容量にもよりますが、小さなものなら比較的作りやすいデス（IC内には絶縁「素材」多数あり、頼まなくても自然とコンデンサが出来ます。）また、ピュアな抵抗は作れるものの、抵抗値によっては面積がデカクなりがち（通常IC内部の素材のうち、電気を通す素材は単位面積あたりの抵抗は小さめに調整されてる、電気通すことを第１に考えるので）なので、トランジスタを使って代用品にしたりすることが多いっす。そこを踏まえると、スイッチとコンデンサで抵抗やインダクタンスを代替できるスイッチドキャパシタ回路は便利。
説明はGemini様にお任せってか。