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ऑपरेशनल एम्पलीफायर विन्यास: इनवर्टिंग, नॉन-इनवर्टिंग और समिंग

ऋणात्मक फीडबैक वाला ऑप-एम्प केवल प्रतिरोधों से तय, स्थिर लाभ देता है। इनवर्टिंग: G = −Rf/Rin (आउटपुट उल्टा)। नॉन-इनवर्टिंग: G = 1 + Rf/Rin (आउटपुट सीधा)। समिंग: Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2 + …), ऑडियो मिक्सर और DAC में काम आता है। असली ऑप-एम्प का लाभ और बैंडविड्थ सीमित हैं (लाभ × बैंडविड्थ ≈ स्थिर) और आउटपुट सप्लाई के पास संतृप्त हो जाता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. फीडबैक वाले ऑप-एम्प के दो सुनहरे नियम: (1) इनपुट में कोई धारा नहीं जाती; (2) यह आउटपुट को तब तक बदलता है जब तक V₊ = V₋। नीली तरंग = इनपुट, नारंगी = आउटपुट।
  2. इनवर्टिंग एम्पलीफायर: इनपुट Rin से होकर V₋ में; Rf आउटपुट को वापस लाता है। नारंगी तरंग उल्टी और Rf/Rin = 3 गुना बड़ी है।
  3. नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफायर: इनपुट सीधे V₊ में। आउटपुट सीधा और 1 + Rf/Rin = 3 गुना बड़ा।
  4. समिंग एम्पलीफायर: दो इनपुट अपने-अपने प्रतिरोध से V₋ में जाते हैं। आउटपुट उनके तौले हुए योग का ऋण है। दो तरंगें मिलकर एक।
  5. असली ऑप-एम्प: आउटपुट सप्लाई (यहाँ ±12 V) से आगे नहीं जा सकता। इनपुट बढ़ाओ तो तरंग की चोटियाँ कट जाती हैं: संतृप्ति (क्लिपिंग)।
  6. खुद करके देखो: मोड चुनो, Rin, Rf और इनपुट बदलो, नीचे लाभ पढ़ो।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

ऑप-एम्प V₊ और V₋ को बराबर क्यों करता है?

छोटा-सा अंतर भी 10⁵ गुना होकर Rf से लौटता है और अंतर को काट देता है। परिपथ वहीं टिकता है जहाँ V₊ ≈ V₋।

इनवर्टिंग आउटपुट उल्टा क्यों?

Vin धनात्मक हो तो धारा Rin से आभासी भू में आती है और Rf से निकलनी चाहिए, इसलिए आउटपुट ऋणात्मक होता है।

नॉन-इनवर्टिंग लाभ 1 + Rf/Rin क्यों?

Rf और Rin विभाजक बनाते हैं; V₋, Vout का एक भाग है। Vout = Vin(1 + Rf/Rin)।

एक ऑप-एम्प दो संकेत कैसे जोड़ता है?

हर इनपुट अपनी धारा आभासी भू में भेजता है। धाराएँ जुड़कर Rf से जाती हैं।

बड़े इनपुट पर चोटियाँ सपाट क्यों?

आउटपुट सप्लाई से आगे नहीं जा सकता, इसलिए बाकी कट जाता है।

दो सुनहरे नियम और आभासी भू

जब आउटपुट का कुछ भाग इनवर्टिंग इनपुट पर लौटाया जाता है (ऋणात्मक फीडबैक), तो ऑप-एम्प दो नियम मानता है:

  1. V₊ या V₋ में कोई धारा नहीं जाती।
  2. आउटपुट तब तक बदलता है जब तक V₊ = V₋।

अगर V₊ को 0 V पर जोड़ें तो V₋ भी 0 V पर रहता है, जबकि वह भू से जुड़ा नहीं है। इसे आभासी भू (virtual earth) कहते हैं।

इनवर्टिंग एम्पलीफायर विन्यास

Vin, Rin से होकर V₋ पर जाता है। Rf, V₋ को आउटपुट से जोड़ता है। V₊ = 0 V।

V₋ आभासी भू है, इसलिए Rin में धारा = Vin/Rin। ऑप-एम्प में धारा नहीं जाती, तो वही धारा Rf से बहती है: −Vout/Rf। बराबर रखने पर:

G = Vout/Vin = −Rf/Rin

ऋण चिह्न का अर्थ: आउटपुट उल्टा (180° कलांतर)। पूरे परिपथ का इनपुट प्रतिरोध बस Rin है।

नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफायर विन्यास

Vin सीधे V₊ पर। Rf और Rin आउटपुट से भू तक विभव विभाजक बनाते हैं, जिसका बीच वाला बिंदु V₋ है।

V₋ = Vout × Rin/(Rin + Rf) और V₋ = V₊ = Vin, इसलिए

G = 1 + Rf/Rin

आउटपुट सीधा (समान कला में)। लाभ हमेशा कम से कम 1। इनपुट प्रतिरोध बहुत ऊँचा। Rf = 0 हो तो G = 1: वोल्टेज फॉलोअर (बफ़र)।

समिंग एम्पलीफायर विन्यास

कई इनपुट V1, V2, V3 अपने प्रतिरोध R1, R2, R3 से आभासी भू पर जाते हैं। उनकी धाराएँ जुड़कर Rf से बहती हैं:

Vout = −Rf (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)

सब प्रतिरोध Rf के बराबर हों तो Vout = −(V1 + V2 + V3)। उपयोग: ऑडियो मिक्सर और डिजिटल-से-एनालॉग कनवर्टर (DAC), जहाँ R, 2R, 4R, 8R से 8:4:2:1 का बाइनरी भार मिलता है।

असली ऑपरेशनल एम्पलीफायर

खुद करके देखो: तुम ऑप-एम्प बनो

एक स्केल को बीच में पेंसिल पर रखो (सी-सॉ)। पेंसिल से 3 cm दूर वाले सिरे को 1 cm नीचे दबाओ: 9 cm दूर वाला सिरा 3 cm ऊपर जाता है। इनवर्टिंग एम्प की तरह: उल्टा और Rf/Rin = 9/3 = 3 गुना। फिर 3D में Rin = 10, Rf = 30 रखकर जाँचो।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. इनवर्टिंग: Rin = 10 kΩ, Rf = 50 kΩ, Vin = 0.2 V। G और Vout?

G = −5; Vout = −1.0 V।

2. नॉन-इनवर्टिंग: Rin = 2 kΩ, Rf = 18 kΩ, Vin = 0.3 V। Vout?

G = 1 + 9 = 10; Vout = 3.0 V।

3. Rin = 4.7 kΩ के साथ लाभ −20 का इनवर्टिंग एम्प बनाओ।

Rf = 20 × 4.7 = 94 kΩ।

4. समिंग: Rf = 10 kΩ, R1 = 10 kΩ, R2 = 5 kΩ, V1 = 0.5 V, V2 = 0.2 V। Vout?

−10(0.05 + 0.04) = −0.9 V।

5. लाभ −15, सप्लाई ±12 V, इनपुट शिखर 1.0 V। आउटपुट कैसा होगा?

−15 V शिखर चाहिए, पर ±12 V से आगे नहीं जा सकता। चोटियाँ कट जाती हैं: संतृप्ति।

6. GBP = 1.0 MHz, नॉन-इनवर्टिंग Rf = 99 kΩ, Rin = 1 kΩ। बैंडविड्थ?

G = 100; बैंडविड्थ = 1 MHz/100 = 10 kHz।

7. 3-बिट DAC: Rf = 1 kΩ, इनपुट 1 kΩ (MSB), 2 kΩ, 4 kΩ (LSB), हर बिट 0 V या 4 V। इनपुट 101 पर Vout?

−(4/1 + 0 + 4/4) = −5 V। 5 = बाइनरी 101।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. इनवर्टिंग एम्पलीफायर का लाभ:
2. Rf = Rin हो तो नॉन-इनवर्टिंग लाभ:
3. आभासी भू कहाँ होता है?
4. सब प्रतिरोध बराबर हों तो समिंग एम्प का Vout:
5. असली ऑप-एम्प में लाभ बढ़ाने पर बैंडविड्थ:

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

इनवर्टिंग और नॉन-इनवर्टिंग में क्या अंतर है?

इनवर्टिंग संकेत को उल्टा करता है, लाभ −Rf/Rin, इनपुट V₋ पर। नॉन-इनवर्टिंग संकेत सीधा रखता है, लाभ 1 + Rf/Rin, इनपुट V₊ पर और इनपुट प्रतिरोध बहुत ऊँचा।

इसे आभासी भू क्यों कहते हैं?

V₊ = 0 V है और फीडबैक V₋ को उसके बराबर रखता है, इसलिए V₋ बिना भू से जुड़े 0 V पर रहता है।

असली ऑप-एम्प की सीमाएँ क्या हैं?

सप्लाई पर संतृप्ति, आवृत्ति के साथ घटता लाभ (स्थिर GBP), सीमित स्ल्यू दर और छोटे ऑफ़सेट।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

इंग्लैंडYear 133.13 Electronics

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