LM358前級放大的疑問

一、前言

??昨天，看到 B站的朋友留言，講述了他的一個疑惑。認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，數據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。對于輸入級的差分放大電路來講，Q2、Q3的基極應該是 0.7V。下面的電流鏡負載對地之間也是 0.7V。Q2，Q3兩個三極管，集電極 PN結的偏置電壓就是 0V。這樣一來，這兩個三極管實際上處在飽和狀態。他認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所提出的疑問理論上該如何解釋。

??這位朋友之所以認為這個問題看似悖論，最主要的還是根據普通教科書上的結論而得到的。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結需要反偏，這樣三極管處在放大區域。如果集電極-基極之間電壓為0，三極管處在飽和狀態，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，現在就只留下一個問題了，三極管處在飽和狀態下，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

??我在2020年7月寫的一篇博文中，介紹了上個世紀 70年代，由Inman Miller 所做的一個實驗。用于測量 PN結的電壓電流關系，進而計算出 Boltzmann 常數的實驗電路。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。輸入電壓施加在發射極與基極之間，所產生的電流絕大部分都流向集電極，并經過運放轉換形成電壓信號。這兩個電壓信號之間的關系就對應了 PN 結的電壓與電流關系。這個實驗告訴我們一個經常忽略的事實，那就是三極管在深度飽和狀態下，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結的理解不能夠按照普通電阻來對待?，F在將這個二極管兩端都接地，似乎里面的載流子不應該移動了。但是在PN結中存在著因為擴散而產生的內部電場。這個電場在對 PN結附近的載流子能夠起到推動作用。如果PN結附近出現了多余的電子，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，但是內部還是存在著PN結電場，在三極管中，對于由 發射極發送過來的電子，絕大部分還是被 集電極PN結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。

※ 總??結 ※

??本文對 B站朋友提出的一個疑惑進行解答。運放中前后具有多級放大電路，初級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，甚至微弱的正偏，但仍然具有電流放大功能?，F在的時代，留給我們普通人理論上需要解決的問題實際上并不太多了。