一、前言

昨天，看到 B站的朋友留言，講述了他的一個(gè)疑惑。認(rèn)為這是一個(gè)至今無人能解決的問題。?  他提到常見到的運(yùn)放 LM358，如果工作在單電源下，數(shù)據(jù)手冊(cè)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(gè)輸入端處在 0偏置狀態(tài)。對(duì)于輸入級(jí)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(duì)地之間也是 0.7V。Q2，Q3兩個(gè)三極管，集電極 PN結(jié)的偏置電壓就是 0V。這樣一來，這兩個(gè)三極管實(shí)際上處在飽和狀態(tài)。他認(rèn)為此時(shí)運(yùn)放就不能夠正常工作了呀。但實(shí)際上，LM358此時(shí)仍然具有正常放大功能。對(duì)于這樣的一個(gè)疑惑，理論上該如何應(yīng)對(duì)呢？

二、問題解釋

首先，LM358工作在單電源下，兩個(gè)輸入端的偏置電壓的確可以達(dá)到 0V。這一點(diǎn)，我在 去年 12月24日測試過，大家感興趣可以找到我的這個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄視頻。實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(gè)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(duì)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(qǐng)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(duì)信號(hào)的功率放大特性。

對(duì)于集成運(yùn)放LM358來講，它的初級(jí)主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電流放大。然后通過下面的電流鏡將兩個(gè)輸入端放大的電流信號(hào)進(jìn)行差分，再送到后級(jí)進(jìn)行電壓放大。所以，現(xiàn)在就只留下一個(gè)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(diǎn)在普通的電子教材書中一般不會(huì)進(jìn)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(gè)世紀(jì) 70年代，由Inman Miller 所做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。用于測量 PN結(jié)的電壓電流關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出 Boltzmann 常數(shù)的實(shí)驗(yàn)電路。這里也是一個(gè) PNP 三極管，它的基極連接到地線，根據(jù)后面運(yùn)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(yùn)放轉(zhuǎn)換形成電壓信號(hào)。這兩個(gè)電壓信號(hào)之間的關(guān)系就對(duì)應(yīng)了 PN 結(jié)的電壓與電流關(guān)系。這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們一個(gè)經(jīng)常忽略的事實(shí)，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(shí)，這個(gè)電路就不再具備電壓放大特性了。

通常情況下，對(duì)于PN結(jié)的理解不能夠按照普通電阻來對(duì)待。現(xiàn)在將這個(gè)二極管兩端都接地，似乎里面的載流子不應(yīng)該移動(dòng)了。但是在PN結(jié)中存在著因?yàn)閿U(kuò)散而產(chǎn)生的內(nèi)部電場。這個(gè)電場在對(duì) PN結(jié)附近的載流子能夠起到推動(dòng)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(gè)PN注射過來的電子，這些電子就會(huì)在內(nèi)部電場的作用下都移動(dòng)到 右邊。因此，對(duì)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(duì)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(jìn)行吸收搬運(yùn)到集電極。此時(shí)，三極管仍然具有很大的電流放大功能。

※ 總 結(jié) ※

本文對(duì) B站朋友提出的一個(gè)疑惑進(jìn)行解答。運(yùn)放中前后具有多級(jí)放大電路，初級(jí)的放大電路主要起到阻抗匹配和電流差分。雖然三極管的集電極和基極之間處在 0偏狀態(tài)，甚至微弱的正偏，但仍然具有電流放大功能?，F(xiàn)在的時(shí)代，留給我們普通人理論上需要解決的問題實(shí)際上并不太多了。