今回は平成21年度 理論科目 A問題13を解説します。ソース接地FET増幅器の静特性（図2）に注目し、ゲート-ソース間電圧VGS=−0.1Vのときのドレーン-ソース間電圧VDSとドレーン電流IDを、直流負荷線と特性曲線の交点から求める問題です。
出力側の回路方程式 E2=VDS+R·ID が直流負荷線です。VDS軸との交点はE2、ID軸との交点はE2/R。この負荷線とVGS=−0.1Vの特性曲線の交点が動作点です。
平成21年度 理論科目 A問題13：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成21年度 第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題13
電験3種 理論科目 【電子理論（電子回路）】 平成21年度 A問題13
図1にソース接地のFET増幅器の静特性に注目した回路を示す。この回路のFETのドレーン-ソース間電圧VDSとドレーン電流IDの特性は図2に示す。図1の回路において、ゲート-ソース間電圧VGS=−0.1[V]のとき、ドレーン-ソース間電圧VDS[V]、ドレーン電流ID[mA]の値として最も近いものを組み合わせたものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし、直流電源電圧E2=12[V]、負荷抵抗R=1.2[kΩ]とする。
VGS=−0.1[V]のとき、VDS[V]とID[mA]の値として最も近い組合せを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし、E2=12[V]、R=1.2[kΩ]とする。
VDS[V] ID[mA] (1) 0.8 5.0 (2) 3.0 5.8 (3) 4.2 6.5 (4) 4.8 6.0 (5) 12 8.4
解説①：直流負荷線を式から作る
出力側の電圧則よりVDS=12−1.2IDです。切片はVDS=12 VとID=10 mA。この負荷線とVGS=−0.1 Vの静特性曲線の交点を読むとID≈6.0 mAで、VDS=12−1.2×6.0=4.8 Vとなるため選択肢(4)です。
解説②：負荷線と静特性の交点を読む
| 選択肢 | \(V_{DS}\) | \(I_D\) | 負荷線が要求する \(V_{DS}=12-1.2I_D\) | 判定 |
| (1) | \(0.8\ \mathrm{V}\) | \(5.0\ \mathrm{mA}\) | \(12-6.0=6.0\ \mathrm{V}\) | × |
| (2) | \(3.0\ \mathrm{V}\) | \(5.8\ \mathrm{mA}\) | \(12-6.96=5.0\ \mathrm{V}\) | × |
| (3) | \(4.2\ \mathrm{V}\) | \(6.5\ \mathrm{mA}\) | \(12-7.8=4.2\ \mathrm{V}\) | ○（負荷線上） |
| (4) | \(4.8\ \mathrm{V}\) | \(6.0\ \mathrm{mA}\) | \(12-7.2=4.8\ \mathrm{V}\) | ○（負荷線上） |
| (5) | \(12\ \mathrm{V}\) | \(8.4\ \mathrm{mA}\) | \(12-10.1=1.9\ \mathrm{V}\) | × |
これで(1)(2)(5)が消え、残るは(3)と(4)です。あとは図2で \(V_{GS}=-0.1\ \mathrm{V}\) の曲線の高さを見るだけ——\(V_{DS}=4\sim5\ \mathrm{V}\) 付近で \(I_D\) はおよそ 6.0 mA です。
切片は 12 V と 10 mA
6.5 mA は \(-0.05\ \mathrm{V}\) 寄り
解説③：選択肢を負荷線と静特性で照合する
(3)も負荷線の上にきちんと乗っています——作問者は「負荷線チェックだけでは決まらない」ように仕込んでいます。最後は必ず曲線の高さを読む必要があります。
\(I_D=6.5\ \mathrm{mA}\) は \(V_{GS}=-0.05\ \mathrm{V}\) の曲線（約8 mA）と \(-0.1\ \mathrm{V}\) の曲線（約6 mA）の間——指定の \(-0.1\ \mathrm{V}\) からは外れます。
(1)は \(V_{DS}\) と \(I_D\) の対応がまるで合わず、(5)は \(V_{DS}=12\ \mathrm{V}\)＝電流ゼロのはずの点——どちらも物理的にありえない組合せです。
⚠️ よくある間違い
\(R=1.2\ \mathrm{k\Omega}\) と \(I_D\ \mathrm{[mA]}\) の単位合わせでつまずく人が多いところです。kΩ × mA ＝ V——この組合せは電子回路でずっと使うので、そのまま覚えてしまうのが得策です。
深掘り①：FETとバイポーラトランジスタの対応
| バイポーラトランジスタ | FET | |
| 端子 | ベース・コレクタ・エミッタ | ゲート・ドレーン・ソース |
| 制御するもの | ベース電流 \(I_B\) | ゲート電圧 \(V_{GS}\) |
| 入力インピーダンス | 中（数kΩ） | 非常に大きい |
| 静特性の横軸 | \(V_{CE}\) | \(V_{DS}\) |
| 増幅の式 | \(i_c=h_{fe}i_b\) | \(i_d=g_mv_{gs}\) |
いちばんの違いは「電流で制御するか、電圧で制御するか」です。FETはゲートに電流が流れない——だから入力インピーダンスが極めて大きくなります。
静特性のグラフの読み方はまったく同じです。曲線のラベルが \(I_B\ \mathrm{[\mu A]}\) か \(V_{GS}\ \mathrm{[V]}\) かの違いだけ——負荷線を引いて交点を読む手順は共通です。
深掘り②：接合形FETはなぜ \(V_{GS}\) が負なのか
本問の \(V_{GS}\) はすべて 0 V 以下（0.0／-0.05／-0.1／-0.15／-0.2 V）です。これは接合形FET（JFET）の特徴です。
JFETはゲート・チャネル間のPN接合に逆電圧をかけて使います。逆電圧を強めると空乏層が広がってチャネルが狭まり、\(I_D\) が減る——だから \(V_{GS}\) が負に深いほど電流が小さいのです。
\(V_{GS}=0\) でも電流が流れる——これをデプレション形（ノーマリオン）と呼びます。逆に、電圧をかけて初めて流れるのがエンハンスメント形（ノーマリオフ）で、MOSFETに多い形式です。
順方向にしてしまうとゲートに電流が流れ、FETの長所（入力インピーダンスが大きい）が失われます——JFETのゲートは必ず逆バイアス、と覚えてください。
深掘り③：相互コンダクタンス \(g_m\) を読み取る
静特性から \(g_m\) も読めます。\(g_m=\Delta I_D/\Delta V_{GS}\)——同じ \(V_{DS}\) で曲線を縦にたどったときの変化率です。
単位はジーメンス（S）
\(-0.05\)V と \(-0.1\)V の差
ソース接地の増幅度
この回路は約48倍の電圧増幅をしていることになります。本問では問われていませんが、同じグラフから増幅度まで出せることを知っておくと応用問題に強くなります。
⏱️ 本番での進め方
❶ 選択肢を負荷線の式に入れる——本問はこれだけで3つ消える。
❷ 残った候補を静特性の高さで判定する。
❸ 単位は kΩ×mA＝V。桁を間違えない最短ルート。
★グラフ問題は「先に式、あとで目盛り」——読み取り誤差の入る作業を最後に回す。
出題履歴：FETの静特性と負荷線は定番
FETの静特性から動作点を読む問題は、バイポーラの同型問題と交互に出題されています。令和3年度A問題13ではソース接地の等価回路から増幅度が問われました。
この分野はほぼ毎年どこかで出題されます。手を動かして解ける状態にしておけば、本番で確実に得点できます。
まとめ
| 負荷線 | 12=VDS+1.2ID |
| VDS軸交点 | 12V（ID=0） |
| ID軸交点 | 10mA（VDS=0） |
| VGS=−0.1V曲線 | ID≒6mA |
| 動作点 | VDS=12−1.2×6=4.8V、ID=6.0mA→(4) |
▼あわせて解きたい関連問題
・演算増幅器の特徴と非反転・反転増幅（電子回路34）：【理論】平成22年度 B問題18
コメント