1. Подключите к выходу усилителя вход осциллографа; ток диода при этом должен быть равен нулю (по шкале прибора $I_а$). Увеличив чувствительность входа осциллографа до максимальной, пронаблюдайте за уровнем собственных шумов осциллографа, поскольку дробовой шум диода при нулевом анодном токе близок к нулю.
2. Установите ток диода равным примерно 2 мА (по шкале прибора — 2 больших деления). В этом случае возникает дробовой шум диода, который с учётом усиления контуром и усилителем схемы должен значительно превышать собственные шумы входа осциллографа. Конденсатор контура доложен быть «раскорочен» тумблером «С».

1. Подключите к входу установки выход генератора АКИП-3408/2 и установите частоты в диопазоне $40 \dots 70$ кГц, а к выходу — осциллограф GDS-71054B. Установите тумблер «Вход/Выход» в положение «Вход» — в этом случае осциллограф будет показывать напряжение на выходе генератора. Установив тумблер «Вход/Выход» в положение «Выход», осциллограф будет показывать напряжение в 100 раз меньшее напряжение, чем выходное напряжение усилителя.
2. Замкните конденсатор «С» и установите выходное напряжение генератора таким, чтобы сигнал на входе усилителя был примерно 30 мВ (т.е. на выходе генератора АКИП-3408/2), что на много превышает всякие шумы.
3. По показаниям осциллографа в двух положениях тумблера «Вход/Выход» определите коэффициент усиления усилителя: $К_у = \frac{U_{\text{вых}}}{U_{\text{вх}}} \cdot 100$.
4. Проверка линейности амплитудно-частотной характеристики усилителя в рабочей полосе частот $40 \dots 70$ кГц. При постоянном выходном напряжении генератор изменяйте его частоту в диапазоне $40 \dots 70$ кГц. Конденсатор контура при этом должен быть замкнут. Проверьте точность соблюдения постоянства коэффициента усиления усилителя в указанном диапазоне частот.

Для сознательного выполнения этого задания напомним физический смысл понятия «добротность» и введем термины «нагруженная» и «ненагруженная» добротность контура. Добротность $Q$ характеризует величину потерь электромагнитной энергии, запасенной в контуре, за одно колебание. Потери определяются, во-первых, джоулевыми (тепловыми) потерями на активном сопротивлении, входящем в цепь контура (сопротивление делителя $R_2$ и сопротивление провода, которым намотана катушка контура). Во-вторых, теми активными сопротивлениями, которые включены параллельно контуру, т.е. эквивалентныме входным сопротивление усилителя и эквивалентным сопротивлением вакуумного диода. Если входное сопротивление усилителя – величина постоянная и весьма большая, практически не влияющая на добротность контура, то эквивалентное сопротивление диода сильно зависит от величины его анодного тока $I_а$. При выполнении данного упражнения вы убедитесь, что при нулевом анодном токе диода его эквивалентное сопротивление очень большое и практически не влияет на добротность контура. Отсюда добротность контура при нулевом токе анода называется «ненагруженной», а при $I_а \neq 0$ — «нагруженной».

Экспериментально добротность контура можно определить двумя способами. Первый более точный способ основан на использовании АЧХ контура: Снимая АЧХ контура при помощи осциллографа GDS-71054B, нужно определить частоты $f_1$ и $f_2$, на которых выходной сигнал уменьшается до уровня $0,7U_0$ от максимального $U_0$ (на резонансной частоте $f_0$) и вычислить $Q = \frac{f_0}{f_2 - f_1}$.

Определение ненагруженной добротности контура. Регулятором «$I_а$» установите нулевой ток диода (по встроенному миллиамперметру) и измерьте добротность ненагруженного контура $Q_0$ описанным методом.

Методом, описанном в предыдущем пункте, измерьте добротности контура при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА. Постройте эту зависимость. Сравните нагруженные добротности с ее ненагруженной величиной.

Внимание. До сих пор мы работали с достаточно большими сигналами, подаваемыми от генератора. Теперь нам предстоит измерять весьма малые сигналы шумов, для этого используется мультиметр GDM-8135. Это требует от экспериментатора особой аккуратности!

1. Установите ток диода равным нулю: это уменьшит дробовой шум до нуля, но прочие шумы схемы и измерительных приборов останутся. Поэтому вольтметр на выходе усилителя (предел измерения 200 мВ) будет показывать некоторое ненулевое значение.
2. Отключите от входного разъема установки генератор и частотомер (мы уберем все шумы, связанные с этими приборами). Проверьте положение переключателя «$С$»: конденсатор должен быть раскорочен. Запомните величину напряжения $U_0$ — это будет «нулём» вольтметра. Теперь вычитая из измерений $U_0$ мы в определенной мере скомпенсируем все дополнительные шумы установки, не являющиеся дробовым шумом.
3. Измерьте выходное напряжение при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА. Каждое измерение нужно делать, дожидаясь стабилизации стрелки вольтметра, поскольку он имеет достаточно большую постоянную времени и медленно приходит в свое стационарное положение.

Постройте зависимость добротности контура и напряжения шумов от тока диода. Рассчитайте по формуле $$ \overline{U_{\text{др}}^2}=\frac{eI Q}{2\omega _{0} C^{2} } \hspace{10pt} \text{ или } \hspace{10pt} \Bigl(\frac{U_{\text{эф}}}{K_y}\Bigr)^2 =\frac{eI Q}{2\omega _{0} C^{2}}, $$ заряд электрона по всем 4-м значениям тока диода.

Примечание. В идеальном случае заряд электрона, конечно, не должен зависеть от величины тока диода. Однако сам дробовой шум от этой величины зависит, а главное, от нее зависит добротность контура и, следовательно, полоса его пропускания для шумов. Это вносит коррективы в измерения и в конечном счете определяет точность эксперимента. Рассчитайте погрешность измерения заряда электрона как среднего по 4-м токам диода.

Назад к описанию установки или далее к описанию лабораторных работ «Физические явления в вакуумном диоде»