Усилительные каскады на биполярных транзисторах с резисторными нагрузками в цепи коллектора нашли широкое применение в предварительных каскадах усиления. Они обеспечивают усиление по напряжению, току, мощно-
сти. Принципиальная схема усилительного резисторного каскада с ОЭ представлена на рис. 10.22. Входной сигнал поступает на базу транзистора от генератора напряжения с внутренним сопротивлением Rг. Разделительный конденсатор 
служит для предотвращения протекания постоянной составляющей тока базы через источник входного сигнала. При отсутствии в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Uип, который мог бы вызвать падение напряжения на внутреннем сопротивлении Rг источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала. Конденсатор 
на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение переменной составляющей коллекторного напряжения, которая поступает на нагрузочное устройство с сопротивлением Rн. Элементы R1, R2, Rэ, Cэ обеспечивают режим каскада по постоянному току и температурную стабилизацию.
Параметры усилителя (коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности Kr; входное Rвх и выходное Rвых сопротивления) находятся с использованием аналитического метода, при котором на основе малосигнальной эквивалентной схемы транзистора строится эквивалентное представление каскада по переменному току и проводится его расчет по переменному току (рис. 10.23).
Расчет параметров каскада производится для области средних частот усиления, где зависимость параметров от частоты минимальна и не учитывается в расчетах. Сопротивления конденсаторов , 
, Cэ очень малы и ими можно пренебречь. Резистор Rэ зашунтирован конденсатором Cэ и на эквивалентной схеме не учитывается. По переменному току сопротивление источника питания близко к нулю, поэтому верхний вывод резисторов R1, Rк на схеме замещения соединяется с выводом эмиттера.
Цепь базы транзистора представлена на эквивалентной схеме объемным сопротивлением активной области базы rб, составляющим единицы–сотни Ом. Эмиттерный переход представлен дифференциальным сопротивлением rэ, лежащим в пределах единиц–десятков Ом. Закрытый коллекторный переход представлен дифференциальным сопротивлением rк, составляющим сотни кОм.
Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов R1, R2 и сопротивления входной цепи транзистора rвх
. (10.39)
Сопротивление входной цепи транзистора определяется как 
. Учитывая, что через сопротивление rб протекает ток Iб, а через сопротивление rэ – ток 
получим
.
Тогда входное сопротивление усилительного каскада определяется выражением
(10.40)
Значение Rвх для каскада с ОЭ составляет сотни Ом или единицы кОм.
Если резистор Rэ в схеме (рис. 10.22) не зашунтирован по переменному току конденсатором Сэ, то последовательно с rэ в эквивалентной схеме усилителя необходимо включать сопротивление Rэ. Входное сопротивление в этом случае определяется выражением
. (10.41)
Сравнение выражений (10.40) и (10.41) показывает, что введение отрицательной обратной связи по переменному току значительно увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, а включение низкоомного делителя R1, R2, улучшающего температурную стабильность усилителя, значительно снижает его входное сопротивление.
Выходное сопротивление усилительного каскада определяется со стороны выходных зажимов при отключенной нагрузке и нулевом входном сигнале 
. Из эквивалентной схемы (рис. 10.23) видно, что выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением сопротивления Rк и выходным сопротивлением самого транзистора, близким по величине к rк. Обычно 
, и считается, что выходное сопротивление определяется величиной резистора 
(
) и составляет единицы кОм.
Коэффициент усиления по напряжению каскада определяется как отношение выходного напряжения Uвых на нагрузке к ЭДС источника сигнала Eг. Значение Uвых определяется выражением 
, где знак минус указывает на то, что выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Ток базы определяется выражением
,
тогда
. (10.42)
Анализ выражения (10.42) показывает, что коэффициент усиления каскада по напряжению тем больше, чем больше выходное сопротивление каскада по сравнению с Rвх и чем больше статический коэффициент h21э.
В идеальном усилителе напряжения (
), который работает в режиме холостого хода (
), коэффициент усиления будет максимальным и равным:
. (10.43)
Коэффициент усиления по току определяется отношением тока в нагрузке Iн ко входному току Iвх 
. Ток в базе и ток в нагрузке определяются следующими выражениями
; 
. (10.44)
Подставив полученные соотношения в выражение для коэффициента усиления по току, получим
. (10.45)
В идеальном усилителе тока (
), который работает в режиме короткого замыкания (
), имеем 
.
При работе каскада в схеме с ОЭ в диапазоне низких частот необходимо учитывать емкости разделительных конденсаторов , и Cэ. Поскольку сопротивления конденсаторов на низких частотах возрастают, то эквивалентная схема каскада имеет вид (рис. 10.24).
Сначала рассмотрим влияние разделительного конденсатора 
на изменение коэффициента усиления по напряжению
, (10.46)
где 
– сопротивление емкости, wнч = 2pfнч. Отношение коэффициента усиления на низких частотах к коэффициенту усиления на средних частотах равно
, (10.47)
где 
– постоянная времени входной цепи усилительного каскада. Коэффициент частотных искажений определяется выражением
. (10.48)
Для уменьшения частотных искажений при прочих равных условиях необходимо увеличивать .
Коэффициент частотных искажений, вносимый разделительным конденсатором определяется следующим выражением:
, (10.49)
где 
.
Рассмотрим влияние емкости Сэ на частотные искажения. Предположим, что 
, и в первый момент времени после поступления входного сигнала влияние Сэ несущественно. По мере заряда Сэ уменьшается эмиттерный ток, а следовательно и ток базы. Когда емкость Сэ зарядится полностью, то через нее не будет протекать ток. Сопротивление в эмиттерной цепи будет равно Rэ+rэ вместо начального значения rэ. Это приведет к уменьшению тока базы и к изменению коэффициента усиления по напряжению. В этом состоит принципиальная особенность влияния емкости Сэ на частотные искажения. Постоянная времени равна произведению Сэ на параллельное сопротивление Rэ и выходного сопротивления каскада со стороны эмиттера транзистора, т.е. выходного сопротивления каскада с ОК, величина которого не превышает десятков Ом
.
Коэффициент частотных искажений, вносимый Сэ максимальный и определяется выражением
. (10.50)
Коэффициент частотных искажений в диапазоне низких частот, вносимый емкостями усилительного каскада, равен
[дБ].
Для уменьшения Мнч в усилительном каскаде в схеме с ОЭ требуется увеличивать , и Cэ в большей степени.
При работе каскада с ОЭ в диапазоне высоких частот на частотные искажения сильное влияние оказывает емкость коллекторного перехода Ск и емкость нагрузки, эквивалентная схема каскада в диапазоне высоких частот представлена на рис. 10.25.
Постоянная времени каскада с ОЭ в области высоких частот определяется выражением 
, тогда коэффициент частотных искажений в области высоких частот
.
