はじめに
Simscape Electrical で回路シミュレーションを行う際、クロックや制御信号でオン／オフを切り替えるスイッチが必要になる場面は多いです。代表的なのが Voltage-Controlled Switch ブロックです。この記事ではその 端子構成・パラメータの意味・応用例をまとめます。
🔌 端子の役割
主回路側（電流が流れる経路）
-
1+ / 1-
- スイッチでオン／オフされるメインの経路。
- オン状態 → 抵抗値 RON
- オフ状態 → 抵抗値 ROFF
- 信号や電力を実際に流すための「入出力端子」。
制御側（オン／オフの判定に使う入力）
-
2+ / 2-
- 制御電圧を入力する端子。
- 制御電圧 $V_{ctrl} = V(2+) - V(2-)$ が しきい値 VT を超えるとオン。
- ヒステリシス VH を設定すれば、オン／オフの境界に幅を持たせられる。
⚙️ パラメータ設定
1. しきい値電圧 VT
- この電圧を超えるとオン、下回るとオフ。
- 例: VT = 0.5 V → 0–1 V のクロック信号でオン／オフ可能。
2. ヒステリシス電圧 VH
-
VT 近傍でのチャタリング防止。
-
例: VT = 0.5 V, VH = 0.1 V
- 0.6 V 以上 → オン
- 0.4 V 以下 → オフ
- その間 → 前の状態を保持
3. オン抵抗 RON
- スイッチが閉じたときの抵抗。
- 小さいほど理想スイッチに近づく（1e-3 Ω 程度）。
4. オフ抵抗 ROFF
- スイッチが開いたときの抵抗。
- 大きいほどリークが少ない（1e9 Ω 以上が目安）。
5. スイッチモデル
- 遷移を「理想的な急峻」「遅延後にオン」などから選択可能。
- 数値収束を安定させたい場合は少し遅延を与えると良い。
🖇️ 使用方法の流れ
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制御信号を接続
- Pulse Voltage Source（0–1 V, 周期 T）を制御端子 (2+, 2-) に入力。
-
しきい値設定
- VT = 0.5 V に設定すれば、1 V パルスでオン／オフ可能。
-
RON/ROFF を調整
- RON = 1e-3 Ω
- ROFF = 1e9 Ω
-
必要ならヒステリシス VH を追加
- ノイズが多い場合やクロック境界が曖昧な場合に有効。
📘 応用例
1. サンプルホールド回路
- 1+ / 1- を信号源とキャパシタの間に配置。
- 2+ / 2- にクロック信号を与える。
- クロックが High のときだけキャパシタに信号が伝わり、Low の間は保持。
2. ADC のスイッチング回路
- パイプライン ADC や SAR ADC のサンプリングスイッチとして利用可能。
- 高速クロックで動作する場合は TR/TF を小さくして理想スイッチに近づける。
3. ロジック制御回路
- DFF やラッチの構築において、制御信号で信号ラインを通したり遮断したりする用途に利用。
✅ まとめ
- Voltage-Controlled Switch は「制御電圧でオン／オフする理想スイッチ」。
- 主回路端子 (1+ / 1-) で信号を伝送、制御端子 (2+ / 2-) でクロックや制御電圧を入力。
- ADC のサンプルホールドやクロック制御に最適。
- 設定は VT=0.5 V, VH=0, RON=1e-3 Ω, ROFF=1e9 Ω が理想クロック用の定番。
🔧 Voltage-Controlled Switch のおすすめパラメータ設定
| パラメータ | 推奨値 | 解説 |
|---|---|---|
| VT (しきい値電圧) |
0.5 V |
制御入力が 0.5 V 以上でオン、それ以下でオフ |
| VH (ヒステリシス電圧) |
0 V （または 0.01 V） |
0 なら完全理想。ノイズがある場合は 0.01–0.05 V 推奨 |
| RON (オン抵抗) |
1e-3 Ω |
ほぼ短絡。0 は不可（数値発散の恐れ） |
| ROFF (オフ抵抗) |
1e9 ～ 1e12 Ω |
ほぼ絶縁。大きすぎても数値不安定になるので 1e9–1e12 が実用的 |
| スイッチモデル | 遅延後の急激な遷移 | 理想動作。必要なら伝播遅延を 1e-9 s 程度に設定 |
| オフ抵抗として 1/GMIN を使用 | 「いいえ」 | 自分で ROFF を指定する方が確実 |
✅ 推奨セット例（理想クロック制御用）
VT = 0.5 V
VH = 0 V
RON = 1e-3 Ω
ROFF = 1e12 Ω
Model = 遅延後の急激な遷移
Delay = 1e-9 s（必要なら）