45PM16｜第45回第2種ME技術実力検定試験過去問

図の回路でフォトダイオード PD に光を当てたところ、PD のカソードからアノードの向きに 2 μA の電流が流れた。Vo［V］はどれか。ただし、演算増幅器は理想演算増幅器とする。

解答・解説を見る

正解: 5

正答

この問題では、理想演算増幅器を用いたフォトダイオード電流の電圧変換回路が問われています。

押さえるポイントは次の3つです。

図では、演算増幅器の非反転入力端子が 5 V に接続されています。

理想演算増幅器で負帰還がかかっているため、反転入力端子の電位も 5 V とみなせます。

つまり、

反転入力端子の電位 = 5 V

です。

図で見るポイント
PD は反転入力端子側に接続され、出力端子から反転入力端子へ 1 MΩ の帰還抵抗が接続されています。非反転入力端子は 5 V に固定されています。

問題文では、PD に光を当てたところ、PD のカソードからアノードの向きに 2 μA の電流が流れたとあります。

図では、PD のカソード側が反転入力端子の節点、アノード側が接地側です。したがって、2 μA の電流は反転入力端子の節点から接地側へ流れ出します。

理想演算増幅器の入力端子には電流が流れないため、この 2 μA は帰還抵抗から供給される必要があります。

したがって、1 MΩ の帰還抵抗には、出力端子から反転入力端子へ向かって 2 μA が流れます。

帰還抵抗で生じる電圧降下は、

V = I × R

V = 2 μA × 1 MΩ

2 μA = 2 × 10^-6 A

1 MΩ = 1 × 10^6 Ω

V = 2 × 10^-6 × 1 × 10^6

V = 2 V

電流は出力端子から反転入力端子へ流れるため、出力端子の電位は反転入力端子より 2 V 高くなります。

反転入力端子は 5 V なので、

Vo = 5 V + 2 V

Vo = 7 V

したがって、正答は 7 V です。

ひっかけポイント
非反転入力端子が 5 V なので、反転入力端子も 5 V になります。ここを 0 V と考えると誤答になります。また、PD 電流の向きにより、出力が 5 V より高くなるか低くなるかが決まります。

1．− 3
誤り。
反転入力端子は負帰還により 5 V とみなされます。0 V 基準で単純に 2 μA × 1 MΩ を引くように考えると符号を誤ります。この回路条件では出力は負電圧ではありません。

2．− 2
誤り。
2 μA × 1 MΩ = 2 V ですが、これは帰還抵抗に生じる電圧差です。Vo そのものが −2 V になるわけではありません。反転入力端子の基準電位 5 V を考える必要があります。

3．3
誤り。
3 V は、5 V から 2 V を引いた値です。これは、帰還抵抗の電流が反転入力端子から出力端子へ流れる場合の考え方です。問題では PD 電流が反転入力端子の節点から接地側へ流れ出すため、帰還抵抗電流は出力端子から反転入力端子へ流れます。

4．5
誤り。
5 V は反転入力端子と非反転入力端子の電位です。PD に 2 μA の電流が流れているため、その電流を帰還抵抗に流すための電圧差が必要です。したがって、出力電圧は 5 V のままではありません。

5．7
正しい。
反転入力端子は 5 V です。PD 電流 2 μA が接地側へ流れ出すため、帰還抵抗 1 MΩ には出力端子から反転入力端子へ 2 μA が流れます。帰還抵抗の電圧差は 2 V なので、Vo = 5 V + 2 V = 7 V です。