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 учетом 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, а к выходу — вольтметр переменного напряжения (диапазон его измерения – 100 мВ). Установите тумблер «Вход/Выход» в положение «Вход»; в этом случае вольтметр будет показывать напряжение на выходе генератора, в 100 раз превышающее напряжение на входе усилителя.
2. Замкните конденсатор «С» и установите выходное напряжение генератора таким, чтобы сигнал на входе усилителя был примерно 30 мВ, что на много превышает всякие шумы.
3. По показаниям вольтметра в двух положениях тумблера «Вход/Выход» определите коэффициент усиления усилителя: $К_у = \frac{U_{вых}}{U_{вх}} \cdot 100$.

Проверка линейности амплитудно-частотной характеристики усилителя в рабочей полосе частот $40 \dots 70$ кГц.

1. При постоянном выходном напряжении генератор изменяйте его частоту в указанном диапазоне. 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, 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 $Q = \frac{f_0}{f_2 - f_1}$). Однако применяемые в наших установках генераторы не позволяют устанавливать частоты $f_1, f_2$ с необходимой для этого точностью (примерно 0,5%). Поэтому мы определяем добротность вторым способом, основанном на следующем факте: при частоте внешнего генератора, равной резонансной, напряжение на реактивных элементах контура (в частности, на индуктивности $U_L$ — см. рис.) становится в $Q$ раз больше, чем на сопротивлении $R_2$, включенном в контур, откуда $Q = \frac{U_L}{U_{R_2}}$ на резонансной частоте.

Практически добротность по второму способу определяется следующим образом.

1. Замкните конденсатор $С$ и установите выходное напряжение генератора таким, чтобы вольтметр, подключенный к выходу усилителя отклонился примерно на 10 мВ.
2. Раскоротите конденсатор $С$ и регулируя частоту генератора, добейтесь максимума выходного сигнала усилителя. Тем самым мы определим резонансную частоту контура $f_0$ (по частотомеру генератора) и напряжение $U_L = \frac{U_{вых}}{К_у}$.
3. Не меняя частоты и амплитуды генератора, вновь закоротите конденсатор $С$ и измерьте выходное напряжение усилителя, но уже на резонансной частоте. В этом случае $U_{{вых}_2}= К_у U_{R_2}$.
4. Рассчитайте добротность контура $Q = \frac{U_L}{U_{R_2}} = \frac{U_{{вых}_1}}{U_{{вых}_2}$.

Определение ненагруженной добротности контура. Регулятором «$I_а$» установите нулевой ток диода (по встроенному миллиамперметру) и измерьте добротность ненагруженного контура $Q_0$ методом, описанным в предыдущем пункте. Измерения добротности (вторым способом), естественно, должны производиться на резонансной частоте контура.

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

\textbf{Задание 6}: \textbf{\textit{измерение шумов при токах диода 1, 2, 3 и 4 мА}}.

\textbf{Внимание}. До сих пор мы работали с достаточно большими сигналами, подаваемыми от генератора. Теперь нам предстоит измерять весьма малые сигналы шумов. 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 300 мА) 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. Подстройте «0» вольтметра. Подстройкой «нуля» 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.

\textbf{}

\textbf{Задание 7}. Постройте зависимость добротности контура и напряжения шумов от тока диода. Рассчитайте по формуле \eqref{GrindEQ__3_} заряд электрона по всем 4-м значениям тока диода.

\textbf{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»