LM358前级放大的疑问

一、前言

  昨天，看到 B站的朋友留言，讲述了他的一个疑惑。认为这是一个至今无人能解决的问题。   他提到常见到的运放 LM358，如果工作在单电源下，数据手册上给出它的共模输入电压非常低，甚至可以小于0V. 那么问题来了，假如，LM358的两个输入端处在 0偏置状态。对于输入级的差分放大电路来讲，Q2、Q3的基极应该是 0.7V。下面的电流镜负载对地之间也是 0.7V。Q2，Q3两个三极管，集电极 PN结的偏置电压就是 0V。这样一来，这两个三极管实际上处在饱和状态。他认为此时运放就不能够正常工作了呀。但实际上，LM358此时仍然具有正常放大功能。对于这样的一个疑惑，理论上该如何应对呢？

二、问题解释

  首先，LM358工作在单电源下，两个输入端的偏置电压的确可以达到 0V。这一点，我在 去年 12月24日测试过，大家感兴趣可以找到我的这个实验记录视频。实验结果显示，在单电源5V下，LM358的输入偏置电压从0V一直到3.8V左右，运放都具有线性放大功能。那么，接下来，我们分析一下上面同学所提出的疑问理论上该如何解释。

  这位朋友之所以认为这个问题看似悖论，最主要的还是根据普通教科书上的结论而得到的。一般的电子教科书，对于三极管的放大条件，都是要求三极管 集电极和基极之间的PN结需要反偏，这样三极管处在放大区域。如果集电极-基极之间电压为0，三极管处在饱和状态，三极管不具备放大特性。但是，请注意，这里的放大特性是指三极管具有电压放大特性，或者指对信号的功率放大特性。

  对于集成运放LM358来讲，它的初级主要是对输入信号进行电流放大。然后通过下面的电流镜将两个输入端放大的电流信号进行差分，再送到后级进行电压放大。所以，现在就只留下一个问题了，三极管处在饱和状态下，是否还有电流放大功能。这一点在普通的电子教材书中一般不会进行讨论的。

三、神奇的三极管PN结

  我在2020年7月写的一篇博文中，介绍了上个世纪 70年代，由Inman Miller 所做的一个实验。用于测量 PN结的电压电流关系，进而计算出 Boltzmann 常数的实验电路。这里也是一个 PNP 三极管，它的基极连接到地线，根据后面运放输入端的 虚短特性，集电极电位也是 0V。输入电压施加在发射极与基极之间，所产生的电流绝大部分都流向集电极，并经过运放转换形成电压信号。这两个电压信号之间的关系就对应了 PN 结的电压与电流关系。这个实验告诉我们一个经常忽略的事实，那就是三极管在深度饱和状态下，仍然具有很大的电流放大特性。只不过此时，这个电路就不再具备电压放大特性了。

  通常情况下，对于PN结的理解不能够按照普通电阻来对待。现在将这个二极管两端都接地，似乎里面的载流子不应该移动了。但是在PN结中存在着因为扩散而产生的内部电场。这个电场在对 PN结附近的载流子能够起到推动作用。如果PN结附近出现了多余的电子，比如就是由附近另外的一个PN注射过来的电子，这些电子就会在内部电场的作用下都移动到 右边。因此，对于三极管来讲，即使集电极和基极之间，外部引线上都是 0V，但是内部还是存在着PN结电场，在三极管中，对于由 发射极发送过来的电子，绝大部分还是被 集电极PN结进行吸收搬运到集电极。此时，三极管仍然具有很大的电流放大功能。

※ 总  结 ※

  本文对 B站朋友提出的一个疑惑进行解答。运放中前后具有多级放大电路，初级的放大电路主要起到阻抗匹配和电流差分。虽然三极管的集电极和基极之间处在 0偏状态，甚至微弱的正偏，但仍然具有电流放大功能。现在的时代，留给我们普通人理论上需要解决的问题实际上并不太多了。