【臨床工学技士国家試験】電子回路素子の過去問解説｜ダイオード・トランジスタ・オペアンプの頻出ポイント

電子回路素子は、医用電気電子工学の中でも毎年出題される頻出分野です。「暗記しようとすると覚えられないのに、パターンをつかむと一気に得点源になる」のがこの分野の特徴。実際この記事の中には、第30回と第33回でほぼ同じ内容が再出題された問題があります（30-51と33-51を見比べてみてください）。過去問のパターンに習熟することが、そのまま得点につながる実例です。
この記事では第30回〜第33回の過去問26問を、1問ずつ、選択肢ごとに「なぜ○なのか・なぜ×なのか」まで解説します。現役の臨床工学技士（CE）が現場目線でまとめました。

第30回
第31回
第32回
第33回
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第30回

第30回午前51問
正しいのはどれか。
a. 理想ダイオードの順方向抵抗は無限大である。
b. バイポーラトランジスタは電圧制御素子である。
c. ピエゾ効果が大きい半導体は磁気センサに利用される。
d. FETのn形チャネルの多数キャリアは電子である。
e. CMOS回路はバイポーラトランジスタ回路よりも消費電力が少ない。

正解：5（d、e）

a ×：理想ダイオードは順方向抵抗0・逆方向抵抗∞。「順方向は完全に通す、逆方向は完全に止める」が理想の意味。問題文は逆。
b ×：バイポーラトランジスタ（BJT）は電流制御素子（ベース電流でコレクタ電流を制御）。電圧制御なのはFET。この対比は国試の定番。
c ×：ピエゾ（圧電）効果は圧力・加速度の検出に利用。磁気センサはホール素子。「ピエゾ＝圧、ホール＝磁気」でセット暗記。
d ○：n形チャネルの多数キャリアは電子。n形＝negative＝電子、p形＝positive＝正孔。
e ○：CMOSは静的消費電力が非常に小さく、一般にBJT回路より低消費電力。ペースメーカなど電池駆動の植込みデバイスにCMOSが使われる理由でもある。

第30回午前52問
図1の回路に図2に示す電圧Eを入力したとき、ダイオードD1に電流が流れる区間はどれか。ただし、ダイオードは理想ダイオードとする。

1. A
2. B
3. C
4. D
5. E

正解：3（C）

理想ダイオードが導通する条件はアノード電位＞カソード電位。入力波形の各区間について、D1のアノード側とカソード側の電位を比較し、順方向になる区間だけを選ぶ。
この回路はバイアス電源が入っているので「入力電圧がバイアス電圧を超えた区間だけON」。バイアス−3Vを超えて導通するのは区間C。

第30回午後53問
図のツェナーダイオード（ツェナー電圧3V）を用いた回路で20Ωの抵抗に流れる電流[mA]はどれか。

1. 0
2. 100
3. 150
4. 250
5. 400

正解：2（100mA）

ツェナーダイオードが降伏領域で動作しているとき、ツェナーの両端電圧は3Vに固定される。
残りの電圧（電源電圧−3V）が20Ωにかかるので、オームの法則で電流を出す。電源5Vなら（5−3）V÷20Ω＝0.1A＝100mA。

第30回午後54問
図の増幅回路全体の増幅度は54dBである。抵抗R[kΩ]はどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とし、log₁₀2を0.3とする。

1. 5
2. 10
3. 50
4. 100
5. 500

正解：3（50kΩ）

dB計算の頻出パターン。増幅度[dB]＝20log₁₀（電圧増幅度）。6dB＝2倍を使うのが速い。
54dB＝6dB×9＝2⁹≒500倍。全体500倍から多段増幅の段ごとの積でRを逆算すると、R＝50kΩ（R/100Ω＝500の関係）。

第30回午後55問
図の回路について正しいのはどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

a. 遮断周波数は5Hzである。
b. 通過域の増幅度は20dBである。
c. 遮断周波数ではViとVoの位相差はゼロである。
d. 入力インピーダンスは10kΩである。
e. 直流は通過域に含まれる。

正解：5（d、e）

帰還部にコンデンサが並列に入った反転増幅器は一次のローパスフィルタ（LPF）。
a ×：遮断周波数f＝1/(2πCR)＝1/(2π×1μF×200kΩ)≒0.8Hz。5Hzではない。
b ×：通過域増幅度はR2/R1＝200kΩ/10kΩ＝20倍＝26dB。20「倍」と20「dB」を混同させるひっかけ。
c ×：遮断周波数では通過域からさらに45°位相がずれる。ゼロではない。
d ○：反転増幅器の入力インピーダンスは入力抵抗R1そのもの＝10kΩ。
e ○：LPFなので直流は通過域に含まれる。

第31回

第31回午前52問
図のpn接合で正しいのはどれか。

a. 多数キャリアAには右方向に力が作用する。
b. 多数キャリアBは電子である。
c. 電圧Eを高くしていくと降伏現象が生じる。
d. 電圧Eを高くすると空乏層が小さくなる。
e. 電圧Eを高くすると拡散電位が高くなる。

正解：3（b、c）

この回路は逆バイアス。逆バイアスの性質から各選択肢を判定する。
c ○：逆電圧を上げていくと、あるところで降伏現象（ブレイクダウン）が起こる。
d ×：逆バイアスでは空乏層は広がる（小さくならない）。
e ×：拡散電位（内蔵電位）は接合の材料で決まる値で、外部電圧では変わらない。
キャリアの種類はn側＝電子、p側＝正孔を図に当てはめて判断する（b○）。

第31回午前53問
正しいのはどれか。
a. LEDの発光強度は加えた電圧に比例する。
b. LEDの発光波長は流した電流に比例する。
c. LEDの順方向電圧は整流用ダイオードよりも高い。
d. フォトダイオードの出力電流はアノードから流出する方向に流れる。
e. フォトダイオードの出力電流は入射光が強くなると増加する。

正解：5（c、d、e）

a ×：LEDの発光強度は電流にほぼ比例する（電圧ではない）。だからLEDは電流で駆動する。
b ×：発光波長は材料のバンドギャップで決まる。電流を増やしても色は変わらない。
c ○：LEDの順方向電圧（約1.8〜3.6V）は整流用シリコンダイオード（約0.6〜0.7V）より高い。
d ○：フォトダイオードは光が当たると起電力を生じ、電流はアノードから外部へ流出する向きに流れる（太陽電池と同じ）。
e ○：光電流は入射光強度にほぼ比例して増加する。パルスオキシメータの受光側はこの性質を使っている。

第31回午前54問
図の回路の電圧増幅度を20dBとするとき、抵抗Rに流れる電流I[mA]はどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

1. 0.01
2. 0.1
3. 1
4. 10
5. 100

正解：2（0.1mA）

20dB＝10倍。反転増幅器なら増幅度＝R2/R1。
理想オペアンプは入力端子に電流が流れ込まないので、入力抵抗に流れる電流＝帰還抵抗に流れる電流。I＝Vi/R1に図の数値を入れて0.1mA。

第31回午前55問
図の回路について、正しいのはどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

a. 遮断周波数より十分に低い帯域で微分特性を有する。
b. コンデンサC1と抵抗R2に流れる電流は等しい。
c. 遮断周波数は314Hzである。
d. 直流成分は通過する。
e. 入力インピーダンスは抵抗R1とR2で決まる。

正解：1（a、b）

入力側にコンデンサが直列に入った回路は微分回路（ハイパスフィルタ・HPF）。
a ○：遮断周波数より十分低い帯域で微分特性を示す。
b ○：理想オペアンプの入力端子には電流が流れ込まないため、入力側（C1）を流れた電流はそのまま帰還側（R2）に流れる。
c ×：遮断周波数f＝1/(2πC1R1)＝1/(2π×0.1μF×1kΩ)≒1.6kHz。314Hzではない。
d ×：入力にコンデンサが直列なので直流は通過しない（HPFの基本）。
e ×：入力インピーダンスは入力側の素子（C1とR1）で決まり、周波数依存する。

31-55（微分・HPF）と後の32-52（積分・LPF）は対で覚えると効率的：入力側にC＝微分（HPF）／帰還側にC＝積分（LPF）。
第31回午後51問
抵抗変化を利用する素子はどれか。
a. サーミスタ
b. CdS
c. ホール素子
d. 熱電対
e. 圧電素子

正解：1（a、b）

a ○：サーミスタは温度で抵抗が変わる素子。体温測定・温度モニタの定番。
b ○：CdS（硫化カドミウム）は光で抵抗が変わる素子（光導電効果）。
c ×：ホール素子は磁界で起電力（ホール電圧）を生じる素子。
d ×：熱電対は温度差で起電力を生じる素子（ゼーベック効果）。
e ×：圧電素子は圧力で電荷（起電力）を生じる素子。超音波プローブの心臓部。

覚え方：抵抗が変わる組＝サーミスタ・CdS・ひずみゲージ／起電力を生む組＝ホール素子・熱電対・圧電素子・フォトダイオード。この2グループ整理で、次の32-51もそのまま解ける。
第31回午後52問
図1に示した特性のダイオードを2つ用いた図2の回路の出力電圧Voの最大値Vomax[V]と最小値Vomin[V]はどれか。ただし、順方向の電圧降下は0.6Vとする。

1. Vomax=0.6、Vomin=−0.6
2. Vomax=0.6、Vomin=−3.0
3. Vomax=3.0、Vomin=−3.0
4. Vomax=3.6、Vomin=−3.6
5. Vomax=6.0、Vomin=−6.0

正解：4（Vomax＝3.6、Vomin＝−3.6）

ダイオード2本をそれぞれ基準電圧と直列に入れたリミッタ（クリッパ）回路。
出力は「基準電圧＋順方向降下0.6V」でクリップされる。基準電圧±3Vなので、Vomax＝3.0＋0.6＝＋3.6V、Vomin＝−3.0−0.6＝−3.6V。

第31回午後53問
図の回路の入力電圧Viと出力電圧Voの関係式（Vo/Vi）はどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

正解：1

理想オペアンプの2大原則から解く：①入力端子に電流は流れ込まない ②反転・非反転入力は同電位（バーチャルショート）。
入力側・帰還側のインピーダンスを整理して、Vo/Vi＝−Z2/Z1（反転）またはVo/Vi＝1＋Z2/Z1（非反転）の形に持ち込む。

第31回午後54問
図の回路のスイッチが、b0＝1、b1＝1のときのVoはどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

1. 0
2. −Vr
3. −2Vr
4. −3Vr
5. −4Vr

正解：4（−3Vr）

オペアンプの加算回路を使ったD/A変換の基本問題。各ビットの入力抵抗が重みになっており、Vo＝−（b0×重み0＋b1×重み1）×Vr のビットの重み付き和になる。
この回路は b0（LSB）の重みが1、b1（MSB）の重みが2。b0＝1、b1＝1のとき、Vo＝−（1＋2）×Vr＝−3Vr。

第32回

第32回午前52問
電界効果トランジスタ（FET）について誤っているのはどれか。
a. MOS-FETは金属-酸化膜-半導体の構造をもつ。
b. FETはユニポーラトランジスタである。
c. FETのn形チャネルのキャリアは正孔である。
d. FETではゲート電流でドレイン電流を制御する。
e. FETは高入力インピーダンス素子である。

正解：4（c、d）※「誤っているもの」を選ぶ問題

a 正しい：MOS＝Metal-Oxide-Semiconductor。名前そのまま。
b 正しい：FETは1種類のキャリアだけで動くユニポーラ素子。BJTは電子と正孔の両方を使うバイポーラ。
c 誤り：n形チャネルのキャリアは電子。正孔はp形チャネル。
d 誤り：FETはゲート電圧でドレイン電流を制御する電圧制御素子。「ゲート電流で」が誤り。BJT（電流制御）との対比。
e 正しい：ゲートに電流がほぼ流れないため入力インピーダンスが非常に高い。生体アンプの入力段に向く性質。

第32回午前53問
図1の電圧Viを入力したとき、図2の電圧Voを出力する回路はどれか。ただし、ダイオードは理想ダイオードとする。

正解：2

入力波形と出力波形を見比べて「どの部分が削られた／固定されたか」を判定する。上限＋2V・下限−1Vでクリップされる波形制限（クリッパ）を実現する回路を選ぶ。
クリッパ（削る）・クランプ（直流レベルをずらす）・整流（片側だけ通す）のどれかを特定するのがコツ。

第32回午前55問
図1の回路において図2に示す電圧V1とV2を入力した場合、出力電圧Voの波形で正しいのはどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

正解：4

まず回路が加算回路（Vo＝−(V1＋V2)×係数）か差動増幅回路（Vo＝(V2−V1)×係数）かを判定する。
次に入力波形の時間ごとの値を式に代入して出力波形を描く（3〜4秒区間で底が−2Vになる波形が正解）。

第32回午後51問
起電力を生じるデバイスはどれか。
a. 有機EL
b. CdS
c. サーミスタ
d. ホール素子
e. 熱電対

正解：5（d、e）

a ×：有機ELは電気を光に変える（発光する）素子。起電力は生じない。
b ×：CdSは光で抵抗が変わる素子。
c ×：サーミスタは温度で抵抗が変わる素子。
d ○：ホール素子は磁界中でホール電圧（起電力）を生じる。
e ○：熱電対は温度差で起電力を生じる（ゼーベック効果）。

31-51とペアで解ける問題。「抵抗変化組」と「起電力組」のグループ分けを一度作れば2問分の得点になる好例。
第32回午後52問
図の回路について正しいのはどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

a. 時定数は10msである。
b. 通過域の増幅度は20dBである。
c. 遮断周波数ではViとVoの位相差はゼロである。
d. 入力インピーダンスは周波数に反比例する。
e. 遮断周波数より十分に高い帯域で積分特性を有する。

正解：2（a、e）

帰還部にコンデンサがある反転増幅器は一次LPF＝積分回路。
a ○：時定数τ＝CRf＝1μF×10kΩ＝10ms。
b ×：通過域増幅度＝Rf/Rin＝10kΩ/5kΩ＝2倍＝6dB。20dBではない。
c ×：遮断周波数（約15.9Hz）では位相が通過域からさらに45°ずれる。
d ×：反転増幅器の入力インピーダンスは入力抵抗Rin（5kΩ）で決まりほぼ一定。
e ○：遮断周波数より十分高い帯域で積分特性を示す。

第32回午後53問
ツェナー電圧3Vのツェナーダイオードを含む図の回路のViとVoの関係を示すグラフはどれか。

正解：3

ツェナーは「順方向＝普通のダイオード（約0.6Vで導通）、逆方向＝ツェナー電圧（3V）で降伏して電圧固定」。
Viを−側から＋側まで振ったときに、Voがどの電圧で頭打ち（クリップ）になるかを場合分けしてグラフを選ぶ。

第32回午後55問
図の回路のVi[V]はどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とする。

1. −2
2. −1
3. 0
4. 1
5. 2

正解：2（−1V）

バーチャルショート（反転入力＝非反転入力の電位）と「入力端子に電流ゼロ」を使って、既知の出力電圧から入力Viを逆算する。

第33回

第33回午前52問
理想演算増幅器について正しいのはどれか。
a. 周波数帯域幅は無限大である。
b. 出力インピーダンスは無限大である。
c. 同相除去比（CMRR）はゼロである。
d. 入力端子に流れ込む電流はゼロである。
e. スルーレートは無限大である。

正解：3（a、d、e）

a ○：理想オペアンプはどんな周波数でも増幅できる＝帯域幅無限大。
b ×：出力インピーダンスはゼロが理想（どんな負荷にも電圧を伝えられる）。
c ×：CMRRは無限大が理想（同相ノイズを完全に除去できる）。心電図アンプでこの性能が命になる。
d ○：入力端子に流れ込む電流はゼロ（入力インピーダンス無限大）。オペアンプ計算問題の大前提。
e ○：スルーレート（出力が変化できる速さ）は無限大が理想。

理想オペアンプは2チームで覚える：無限大チーム＝増幅度・入力インピーダンス・帯域幅・CMRR・スルーレート／ゼロチーム＝出力インピーダンス・入力電流・オフセット。
第33回午前53問
素子自体が発光しないのはどれか。
a. CCD
b. 有機EL
c. プラズマディスプレイ
d. LED
e. 液晶

正解：2（a、e）

a 発光しない：CCDは受光素子（撮像素子）。内視鏡カメラの心臓部。光を受けて電気信号に変える側。
b 発光する：有機ELは自発光素子。
c 発光する：プラズマディスプレイは放電による自発光。
d 発光する：LEDは自発光の代表。
e 発光しない：液晶は自分では光らず、バックライトの光を通す／遮るシャッターとして働く。

第33回午後51問
正しいのはどれか。
a. 理想ダイオードの逆方向抵抗はゼロである。
b. ユニポーラトランジスタは電流制御素子である。
c. ピエゾ効果が大きい半導体は磁気センサに利用される。
d. 接合型FETのn形チャネルの多数キャリアは電子である。
e. CMOS回路はバイポーラトランジスタ回路よりも消費電力が少ない。

正解：5（d、e）

a ×：理想ダイオードの逆方向抵抗は無限大（30-51では「順方向が無限大」の形で出た。表現を変えて同じ知識を聞いている）。
b ×：ユニポーラトランジスタ＝FETは電圧制御素子。電流制御はBJT。
c ×：ピエゾは圧力、磁気はホール素子。
d ○：n形チャネルの多数キャリア＝電子。
e ○：CMOSは低消費電力。

この問題は30-51とほぼ同じ知識セットが3年で2回出題されており、正解の組（d、e）まで同じ。「過去問のパターン習熟がそのまま得点になる」の実例。
第33回午後52問
図の回路の入力インピーダンスはどれか。ただし、Aは理想演算増幅器とし、角周波数をω、虚数単位をjとする。

正解：4

反転増幅器系ならバーチャルショートにより反転入力端子は0V（仮想接地）とみなせるので、入力インピーダンス＝入力側に直列に入っている素子のインピーダンス。
抵抗RとコンデンサCが直列ならZ＝R＋1/(jωC)。

第33回午後53問
ダイオードの順方向における電流電圧特性を図1に示す。このダイオードを図2のような等価回路（VF≧0.6V）に置き換えたときのVdとrdとの組合せで正しいのはどれか。

1. Vd=1.0V、rd=250Ω
2. Vd=1.0V、rd=100Ω
3. Vd=0.6V、rd=250Ω
4. Vd=0.6V、rd=100Ω
5. Vd=0.6V、rd=0Ω

正解：4（Vd＝0.6V、rd＝100Ω）

折れ線近似の等価回路。立ち上がり電圧Vd＝グラフの折れ点（0.6V）。
動作抵抗rd＝折れ線の傾きの逆数＝ΔV/ΔI。0.6Vで0mA→1.0Vで4mA（ΔV＝0.4V・ΔI＝4mA）なので rd＝0.4V/4mA＝100Ω。

第33回午後55問
図の回路に電圧Vi＝100sin(10πt)[V]を入力した。出力電圧Voの実効値[V]はどれか。ただし、ダイオードは理想ダイオードとし、時間tの単位は秒とする。

正解：2（50V）

半波整流波形の実効値はVm/2（全波整流ならVm/√2）。
Vm＝100Vなので、半波整流後の実効値は100/2＝50V。

最頻出のひっかけ：正弦波そのものの実効値Vm/√2（≒0.707Vm）と、半波整流の実効値Vm/2（＝0.5Vm）を混同しないこと。