一、前言

昨天，看到 B站的朋友留言，講述了他的一個疑惑。認(rèn)為這是一個至今無人能解決的問題。? 他提到常見到的運放 LM358，如果工作在單電源下，數(shù)據(jù)手冊上給出它的共模輸入電壓非常低，甚至可以小于0V.?那么問題來了，假如，LM358的兩個輸入端處在 0偏置狀態(tài)。對于輸入級的差分放大電路來講，Q2、Q3的基極應(yīng)該是 0.7V。下面的電流鏡負(fù)載對地之間也是 0.7V。Q2，Q3兩個三極管，集電極 PN結(jié)的偏置電壓就是 0V。這樣一來，這兩個三極管實際上處在飽和狀態(tài)。他認(rèn)為此時運放就不能夠正常工作了呀。但實際上，LM358此時仍然具有正常放大功能。對于這樣的一個疑惑，理論上該如何應(yīng)對呢？

二、問題解釋

首先，LM358工作在單電源下，兩個輸入端的偏置電壓的確可以達(dá)到 0V。這一點，我在去年 12月24日測試過，大家感興趣可以找到我的這個實驗記錄視頻。實驗結(jié)果顯示，在單電源5V下，LM358的輸入偏置電壓從0V一直到3.8V左右，運放都具有線性放大功能。那么，接下來，我們分析一下上面同學(xué)所提出的疑問理論上該如何解釋。

這位朋友之所以認(rèn)為這個問題看似悖論，最主要的還是根據(jù)普通教科書上的結(jié)論而得到的。一般的電子教科書，對于三極管的放大條件，都是要求三極管集電極和基極之間的PN結(jié)需要反偏，這樣三極管處在放大區(qū)域。如果集電極-基極之間電壓為0，三極管處在飽和狀態(tài)，三極管不具備放大特性。但是，請注意，這里的放大特性是指三極管具有電壓放大特性，或者指對信號的功率放大特性。

對于集成運放LM358來講，它的初級主要是對輸入信號進行電流放大。然后通過下面的電流鏡將兩個輸入端放大的電流信號進行差分，再送到后級進行電壓放大。所以，現(xiàn)在就只留下一個問題了，三極管處在飽和狀態(tài)下，是否還有電流放大功能。這一點在普通的電子教材書中一般不會進行討論的。

三、神奇的三極管PN結(jié)

我在2020年7月寫的一篇博文中，介紹了上個世紀(jì) 70年代，由Inman Miller 所做的一個實驗。用于測量 PN結(jié)的電壓電流關(guān)系，進而計算出 Boltzmann 常數(shù)的實驗電路。這里也是一個 PNP 三極管，它的基極連接到地線，根據(jù)后面運放輸入端的虛短特性，集電極電位也是 0V。輸入電壓施加在發(fā)射極與基極之間，所產(chǎn)生的電流絕大部分都流向集電極，并經(jīng)過運放轉(zhuǎn)換形成電壓信號。這兩個電壓信號之間的關(guān)系就對應(yīng)了 PN 結(jié)的電壓與電流關(guān)系。這個實驗告訴我們一個經(jīng)常忽略的事實，那就是三極管在深度飽和狀態(tài)下，仍然具有很大的電流放大特性。只不過此時，這個電路就不再具備電壓放大特性了。

通常情況下，對于PN結(jié)的理解不能夠按照普通電阻來對待。現(xiàn)在將這個二極管兩端都接地，似乎里面的載流子不應(yīng)該移動了。但是在PN結(jié)中存在著因為擴散而產(chǎn)生的內(nèi)部電場。這個電場在對 PN結(jié)附近的載流子能夠起到推動作用。如果PN結(jié)附近出現(xiàn)了多余的電子，比如就是由附近另外的一個PN注射過來的電子，這些電子就會在內(nèi)部電場的作用下都移動到右邊。因此，對于三極管來講，即使集電極和基極之間，外部引線上都是 0V，但是內(nèi)部還是存在著PN結(jié)電場，在三極管中，對于由發(fā)射極發(fā)送過來的電子，絕大部分還是被集電極PN結(jié)進行吸收搬運到集電極。此時，三極管仍然具有很大的電流放大功能。