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एनालॉग सिग्नल प्रोसेसिंग: LC अनुनाद फ़िल्टर और आदर्श ऑप-एम्प

एनालॉग संकेत लगातार और धीरे-धीरे बदलता है। इसे हम दो तरह से संभालते हैं: LC परिपथ एक आवृत्ति को चुनता है (फ़िल्टर), और ऑप-एम्प वोल्टेज के छोटे अंतर को बहुत बड़ा कर देता है। अनुनादी आवृत्ति f₀ = 1/(2π√LC)। Q = f₀/Δf बताता है कि शिखर कितना नुकीला है। आदर्श ऑप-एम्प का खुला-लूप लाभ अनंत, इनपुट प्रतिरोध अनंत और आउटपुट प्रतिरोध शून्य होता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. संधारित्र (C) आवेशित है। सारी ऊर्जा प्लेटों के बीच विद्युत क्षेत्र में है: पीला ब्लॉक।
  2. संधारित्र कुंडली (L) से खाली होता है। ऊर्जा कुंडली के चुंबकीय क्षेत्र (हरा) में जाती है, फिर लौटती है। बिल्कुल झूले जैसा।
  3. कई आवृत्तियों के संकेत भेजो। सबसे ऊँचा बार f₀ = 1/(2π√LC) पर है। यही फ़िल्टर है: यह एक पट्टी को पार होने देता है।
  4. Q बढ़ाओ (ऊर्जा कम खोती है)। शिखर ऊँचा और पतला होता है। नारंगी बार बैंडविड्थ Δf के अंदर हैं, जहाँ आउटपुट ≥ 0.707 × शिखर।
  5. आदर्श ऑप-एम्प (बैंगनी त्रिभुज) के दो इनपुट V₊ और V₋ हैं। आउटपुट Vout = A(V₊ − V₋), जहाँ A बहुत बड़ा है। बिना फीडबैक यह तुलनित्र (कम्पेरेटर) है।
  6. खुद करके देखो: L, C और Q बदलो। बड़ा L या C, f₀ को घटाता है।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

ऊर्जा C और L के बीच क्यों झूलती रहती है?

C खाली होने पर धारा बह रही होती है और कुंडली बदलाव का विरोध करती है, इसलिए धारा चलती रहती है और C उल्टा आवेशित हो जाता है।

LC परिपथ एक ही आवृत्ति क्यों चुनता है?

f₀ पर कुंडली और संधारित्र के प्रभाव एक-दूसरे को काट देते हैं, इसलिए जवाब सबसे बड़ा होता है।

0.707 का बैंडविड्थ से क्या संबंध है?

0.707 = 1/√2। इस वोल्टेज पर शक्ति आधी होती है। नारंगी बार इसी सीमा के ऊपर हैं।

आउटपुट +12 V या −12 V पर क्यों अटकता है?

लाभ इतना बड़ा है कि छोटा अंतर भी बहुत बड़ा वोल्टेज माँगता है, पर चिप सप्लाई से ज़्यादा नहीं दे सकती।

बड़ा संधारित्र ट्यूनिंग आवृत्ति बढ़ाता है या घटाता है?

घटाता है, क्योंकि f₀ = 1/(2π√LC)। C स्लाइडर से जाँचो।

एनालॉग सिग्नल प्रोसेसिंग क्या है?

एनालॉग संकेत वह वोल्टेज है जो कोई भी मान ले सकता है और लगातार बदलता है, जैसे माइक का वोल्टेज। प्रोसेसिंग का मतलब है उसे काम का बनाना: कुछ आवृत्तियाँ चुनना (फ़िल्टर करना) या उसे बड़ा करना (प्रवर्धन)।

LC अनुनाद फ़िल्टर

कुंडली (L) और संधारित्र (C) जोड़ने से LC परिपथ बनता है। ऊर्जा आगे-पीछे जाती है: C का विद्युत क्षेत्र → L का चुंबकीय क्षेत्र → फिर C। इसे दोलन कहते हैं।

f₀ = 1 / (2π√(LC))

कई आवृत्तियाँ आएँ तो परिपथ केवल f₀ के पास बड़ा आउटपुट देता है। इसलिए यह बैंड-पास फ़िल्टर (ट्यूनर) है।

ऊर्जा हानि और अवमंदन

तार का प्रतिरोध हर चक्र में कुछ ऊर्जा को ऊष्मा बनाता है। दोलन धीरे-धीरे थम जाते हैं (अवमंदन)। ज़्यादा प्रतिरोध = चौड़ा, चपटा शिखर।

Q गुणांक और बैंडविड्थ

बैंडविड्थ Δf वह चौड़ाई है जहाँ आउटपुट वोल्टेज अधिकतम का कम से कम 0.707 गुना है (आधी-शक्ति बिंदु)। Q = f₀ / Δf। ऊँचा Q = पतला, चुनिंदा शिखर।

आदर्श ऑपरेशनल एम्पलीफायर

ऑप-एम्प एक चिप है जिसके दो इनपुट हैं: नॉन-इनवर्टिंग (V₊) और इनवर्टिंग (V₋)।

Vout = A₀ (V₊ − V₋), जहाँ A₀ = खुला-लूप लाभ (बिना फीडबैक का लाभ)।

आदर्श ऑप-एम्प के गुण

तुलनित्र (कम्पेरेटर) के रूप में

बिना फीडबैक के छोटा-सा अंतर भी बहुत बड़ा हो जाता है, इसलिए आउटपुट सप्लाई +Vs या −Vs पर अटक जाता है (संतृप्ति)। V₊ > V₋ तो +Vs, नहीं तो −Vs। जैसे अँधेरा होने पर स्ट्रीट लाइट जलाना।

खुद करके देखो: झूले में अनुनाद

झूले को उसकी अपनी लय पर धक्का दो तो वह ऊँचा जाता है; बेतरतीब धक्का दो तो मुश्किल से हिलता है। यही अनुनाद है। 3D में L = 5, C = 5 और फिर L = 20, C = 20 करके f₀ गिरता देखो।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. L = 10 mH और C = 10 nF के लिए f₀ ज्ञात करो।

LC = 0.010 × 10×10⁻⁹ = 10⁻¹⁰; √LC = 10⁻⁵; f₀ = 1/(2π × 10⁻⁵) ≈ 15.9 kHz।

2. ट्यूनर का f₀ = 1.0 MHz और बैंडविड्थ 20 kHz है। Q कितना?

Q = 1 000 000 / 20 000 = 50।

3. C = 100 nF के साथ f₀ = 1.0 kHz चाहिए। L कितना हो?

L = 1/(4π²f₀²C) = 1/(4π² × 10⁶ × 10⁻⁷) ≈ 0.25 H।

4. सप्लाई ±12 V, A₀ = 10⁵, V₊ = 2.001 V, V₋ = 2.000 V। Vout?

10⁵ × 0.001 = 100 V, जो 12 V से ज़्यादा है, इसलिए आउटपुट +12 V पर संतृप्त होगा।

5. C चार गुना कर दें तो f₀ का क्या होगा?

f₀ ∝ 1/√C, इसलिए f₀ आधा हो जाता है।

6. A₀ = 2×10⁵ और आउटपुट 6 V (संतृप्त नहीं)। V₊ − V₋ कितना?

6 / (2×10⁵) = 3×10⁻⁵ V = 30 μV, लगभग शून्य। इसलिए V₊ ≈ V₋ मानते हैं।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. LC परिपथ की अनुनादी आवृत्ति:
2. Q बढ़ने पर बैंडविड्थ:
3. आदर्श ऑप-एम्प का इनपुट प्रतिरोध:
4. संधारित्र पूरा आवेशित हो तब धारा:
5. बिना फीडबैक, V₊ > V₋ हो तो आउटपुट:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

LC फ़िल्टर क्या करता है?

यह f₀ = 1/(2π√LC) के पास के संकेत पास करता है और बाकी को कमज़ोर करता है। रेडियो इसी से स्टेशन चुनता है।

Q गुणांक क्या है?

Q = f₀/Δf। यह बताता है कि अनुनाद शिखर कितना नुकीला है। ऊँचा Q बहुत पतली पट्टी चुनता है।

आदर्श ऑप-एम्प में इनपुट धारा शून्य क्यों होती है?

क्योंकि इनपुट प्रतिरोध अनंत है। असली ऑप-एम्प में भी यह बहुत छोटी (पिको से नैनो एम्पियर) होती है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

इंग्लैंडYear 133.13 Electronics

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