令和7年度下期理論問18

CMOSインバータと等価なNAND接続、およびマルチバイブレータの種類

理論B問題配点 10点

出典：一般財団法人電気技術者試験センター令和7年度下期第三種電気主任技術者試験理論科目問題（問題文・選択肢は改変せず、公開PDFの該当ページをそのまま掲載しています）

正解

(a)(5)

(b)(2)

正解の出典：同センターが公表している解答

解説

**(a) 図1と同じ働きをするNAND接続**

図1はpチャネルとnチャネルのMOS FETを縦に積み、両方のゲートを同じ入力につないだ回路。これは**CMOSインバータ（NOT回路）**で、入力が「1」なら出力「0」、入力が「0」なら出力「1」になる。

NANDでNOTを作れる接続を調べる。NANDの出力は「両方の入力が1のときだけ0」。・(イ) 2つの入力を短絡して同じ信号を入れる → NAND(A, A)。A=1で出力0、A=0で出力1。**NOTになる** ・(ロ) 片方を「0」に固定 → NAND(A, 0)。もう片方が0なので出力は常に1。**定数1で、NOTではない** ・(ハ) 片方を「1」に固定 → NAND(A, 1)。A=1なら0、A=0なら1。**NOTになる**

したがって(イ)と(ハ)。正解は(5)。

**(b) マルチバイブレータの種類**

・(ニ) 外部入力が0個で、2つのNANDがコンデンサを介して輪になっている → **非安定（無安定）マルチバイブレータ**。安定な状態を持たず、勝手に状態が反転し続けるので、出力にパルスが連続して出る。**性質I（発振器）** ・(ホ) 外部入力が1個 → 単安定マルチバイブレータ。入力パルスをきっかけに、決まった幅のパルスを1回出して元に戻る。・(ヘ) 外部入力が2個で、2つのNANDが互いの出力を入力に戻している → **双安定マルチバイブレータ**。安定な状態が2つあり、入力で切り替えるまでその状態を保つ。これが**フリップフロップ**そのもので、**性質II（記憶）**。

性質I＝(ニ)、性質II＝(ヘ) なので正解は(2)。

覚え方は「外部入力の数＝安定状態の数」。0個なら非安定、1個なら単安定、2個なら双安定。問題文が入力の数をわざわざ書いているのはこのため。

選択肢ごとの理由

(1)性質IIを(ホ)としている。(ホ)は入力1個の単安定で、記憶はしない。
(2)正しい。発振器＝(ニ)の非安定、記憶＝(ヘ)の双安定（フリップフロップ）。
(3)性質Iを(ホ)としている。単安定は入力がないとパルスを出さないので、発振器にはならない。
(4)性質Iを(ホ)としている点が誤り。
(5)性質Iを(ヘ)としている。双安定は入力があるまで状態を保つので、勝手には発振しない。

この論点は、データセンターの現場でこう出てくる

CMOSとフリップフロップは、データセンターが冷却に大金をかけている理由の一番奥にある。サーバのCPUもメモリも、中身はこの問題の図1と同じCMOS回路が数十億個集まったもの。CMOSは状態が変わらない間はほとんど電流を流さず、**スイッチングした瞬間だけ**電流が流れる。だから消費電力はおおよそ「動作周波数 × 電圧の2乗」に比例し、これがそのまま発熱になる。高性能なサーバほど熱くなり、その熱を運び出すために空調が要り、DCの電力の大きな割合を冷却が占める。PUE（電力使用効率）という指標が生まれた出発点がここにある。 **フリップフロップ**のほうは、設備側の担当者にとってもっと身近な形で出てくる。制御盤のリレー自己保持回路は、「一度動作したら、リセットするまでその状態を保つ」という点で双安定マルチバイブレータとまったく同じ考え方。非常用発電機の起動シーケンス、火災報知の発報保持、故障表示のラッチはすべてこの構成で、「なぜ復旧操作をしないと表示が消えないのか」の答えになっている。

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