विभेदक एम्पलीफायर या वोल्टेज सबट्रैक्टर सर्किट

ओप-एम्प्स मूल रूप से एनालॉग गणितीय गणनाओं के लिए विकसित किए गए थे, तब से आज तक वे कई डिज़ाइन अनुप्रयोगों में उपयोगी साबित हुए हैं। जैसा कि मेरे प्रोफेसर ने ठीक ही कहा है, ऑप-एम्प्स अंकगणित वोल्टेज कैलकुलेटर हैं, वे दो दिए गए वोल्टेज मानों को जोड़ सकते हैं और सुमीलिंग एम्पलीफायर सर्किट का उपयोग करके और एक अंतर एम्पलीफायर का उपयोग करके दो वोल्टेज मूल्यों के बीच अंतर कर सकते हैं । इसके अलावा Op-Amp का इस्तेमाल आमतौर पर Inverting Amplifiers और Non-Inverting Amplifiers के रूप में भी किया जाता है।

हम पहले से ही सीख चुके हैं कि हम एक Op-Amp का उपयोग वोल्ट एडर या सममिंग एम्पलीफायर के रूप में कैसे कर सकते हैं, इसलिए इस ट्यूटोरियल में हम सीखेंगे कि कैसे दो वोल्टेज मानों के बीच वोल्टेज अंतर को खोजने के लिए एक विभेदक एम्पलीफायर के रूप में op-amp का उपयोग किया जाता है । इसे वोल्टेज सबट्रैक्टर भी कहा जाता है । हम एक ब्रेडबोर्ड पर वोल्टेज सबट्रैक्टर सर्किट की भी कोशिश करेंगे और जांच करेंगे कि सर्किट उम्मीद के मुताबिक काम कर रहा है या नहीं।

Op-Amp की मूल बातें

इससे पहले कि हम अंतर ओप-एम्प्स में डुबकी लगाते हैं, आइए जल्दी से ओप-एएमपी की मूल बातें देखें। Op-Amp एक पाँच टर्मिनल डिवाइस (सिंगल पैकेज) है जिसमें डिवाइस को पॉवर देने के लिए दो टर्मिनल (Vs +, Vs-) हैं। शेष तीन टर्मिनलों में से दो (V +, V-) संकेतों के लिए उपयोग किए जाते हैं जिन्हें इनवर्टिंग और नॉन-इनवर्टिंग टर्मिनल कहा जाता है और शेष एक (आउटपुट) आउटपुट टर्मिनल है। एक Op-Amp का मूल प्रतीक नीचे दिखाया गया है।

एक Op-Amp का काम बहुत सरल है, यह दो पिंस (V +, V-) से अलग वोल्टेज में लेता है, इसे एक Gain मूल्य से बढ़ाता है और इसे आउटपुट वोल्टेज (Vout) के रूप में देता है। एक Op-Amp का लाभ ऑडियो अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाने के लिए बहुत अधिक हो सकता है। हमेशा याद रखें कि Op-Amp का इनपुट वोल्टेज उसके ऑपरेटिंग वोल्टेज से कम होना चाहिए। Op-amp के बारे में अधिक जानने के लिए, विभिन्न op-amp आधारित सर्किट में इसके आवेदन की जांच करें।

एक आदर्श Op-Amp के लिए इनपुट प्रतिबाधा बहुत अधिक होगी, जो कि इनपुट पिन (V +, V-) के माध्यम से Op-Amp में प्रवाहित या प्रवाहित नहीं होगी। Op-amp के कामकाज को समझने के लिए हम op-amp सर्किट को मोटे तौर पर खुले लूप और बंद लूप के रूप में वर्गीकृत कर सकते हैं ।

Op-amp ओपन लूप सर्किट (तुलनाकर्ता)

एक ओपन लूप ऑप-एम्प सर्किट में, आउटपुट पिन (वाउट) किसी भी इनपुट पिन के साथ नहीं जुड़ा हुआ है, जो कि कोई प्रतिक्रिया नहीं दी गई है । ऐसी खुली-लूप स्थितियों में op-amp एक तुलनित्र के रूप में काम करता है । एक सरल ऑप-एम्पी तुलनित्र नीचे दिखाया गया है। ध्यान दें कि वाउट पिन इनपुट पिन V1 या V2 से जुड़ा नहीं है।

इस हालत में, यदि वी 1 को आपूर्ति की गई वोल्टेज वी 2 से अधिक है, तो आउटपुट उच्च हो जाएगा। इसी तरह यदि V2 को आपूर्ति की गई वोल्टेज V1 से अधिक है तो आउटपुट Vout कम हो जाएगा।

Op-amp बंद लूप सर्किट (एम्पलीफायरों)

एक बंद लूप ऑप-एम्प सर्किट में ऑप-एएमपी का आउटपुट पिन फीडबैक देने के लिए दोनों में से किसी एक के साथ जुड़ा होता है । इस प्रतिक्रिया को बंद लूप कनेक्शन कहा जाता है। बंद लूप के दौरान एक Op-amp एक एम्पलीफायर के रूप में काम करता है, यह इस मोड के दौरान है एक ऑप-एम्प में बफर, वोल्टेज फॉलोअर, इन्वर्टिंग एम्पलीफायर, नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफायर, समिंग एम्पलीफायर, डिफरेंशियल एम्पलीफायर, वोल्ट सबट्रैक्टर आदि जैसे कई उपयोगी एप्लिकेशन मिलते हैं। वाउट पिन इन्वर्टिंग टर्मिनल से जुड़ा है तो इसे नकारात्मक प्रतिक्रिया सर्किट (नीचे दिखाया गया है) के रूप में कहा जाता है और अगर यह नॉन-इनवर्टिंग टर्मिनल से जुड़ा है तो इसे पॉजिटिव फीडबैक सर्किट कहा जाता है।

डिफरेंशियल एम्पलीफायर या वोल्टेज सबट्रैक्टर

अब हम अपने टॉपिक, डिफरेंशियल एम्पलीफायर में प्रवेश करते हैं। एक अंतर एम्पलीफायर मूल रूप से दो वोल्टेज मूल्यों में लेता है, इन दो मूल्यों के बीच अंतर पाता है और इसे बढ़ाता है। परिणामी वोल्टेज आउटपुट पिन से प्राप्त किया जा सकता है। एक बुनियादी विभेदक एम्पलीफायर सर्किट नीचे दिखाया गया है।

लेकिन इंतजार करो! तो फिर हमें इन सभी फैंसी प्रतिरोधों की आवश्यकता क्यों है?

ठीक है, लेकिन ओपन-लूप (प्रतिक्रिया के बिना) में उपयोग किए जाने पर ऑप-एम्प में बहुत अधिक अनियंत्रित लाभ होगा जो व्यावहारिक रूप से उपयोगी नहीं है। इसलिए हम एक नकारात्मक प्रतिक्रिया पाश में प्रतिरोधों का उपयोग करके लाभ के मूल्य को निर्धारित करने के लिए उपरोक्त डिज़ाइन का उपयोग करते हैं । प्रतिरोधक R3 के ऊपर हमारे सर्किट में ऋणात्मक प्रतिक्रिया अवरोधक के रूप में कार्य करता है और प्रतिरोधक R2 और R4 एक संभावित विभक्त बनाता है। प्रतिरोधों के सही मूल्य का उपयोग करके लाभ का मूल्य निर्धारित किया जा सकता है।

अंतर एम्पलीफायर का लाभ कैसे निर्धारित करें?

ऊपर दिखाए गए अंतर एम्पलीफायर का आउटपुट वोल्टेज नीचे दिए गए सूत्र द्वारा दिया जा सकता है

Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)

उपर्युक्त सूत्र सुपरपोज़िशन प्रमेय का उपयोग करके उपरोक्त सर्किट के हस्तांतरण समारोह से प्राप्त किया गया था। लेकिन चलो, इसमें ज्यादा नहीं। हम R1 = R2 और R3 = R4 पर विचार करके उपरोक्त समीकरण को और सरल बना सकते हैं। तो हम प्राप्त करेंगे

V1 = (R3 / R1) (V2-V1) जब R1 = R2 और R3 = R4

उपरोक्त सूत्र से हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि R3 और R1 के बीच का अनुपात एम्पलीफायर के लाभ के बराबर होगा।

लाभ = R3 / R1

अब, उपरोक्त सर्किट के लिए रेसिस्टर्स मानों को प्रतिस्थापित करें और जांचें कि सर्किट अपेक्षित रूप से काम कर रहा है या नहीं।

विभेदक एम्पलीफायर सर्किट का अनुकरण

मेरे द्वारा चुना गया अवरोधक मूल्य R1 और R2 के लिए 10k और R3 और R4 के लिए 22k है। उसी के लिए सर्किट सिमुलेशन नीचे दिखाया गया है।

सिमुलेशन के उद्देश्य के लिए, मैंने वी 2 के लिए वी 4 के लिए 4 वी और वी 1 के लिए 3.6 वी की आपूर्ति की है। प्रतिरोधक 22k और 10k सूत्रों के अनुसार 2.2 (22/10) का लाभ देगा। तो घटाव 0.4V (4-3.6) होगा और इसे लाभ मान 2.2 से गुणा किया जाएगा ताकि परिणामस्वरूप वोल्टेज 0.88V होगा जैसा कि उपरोक्त सिमुलेशन में दिखाया गया है। आइए हम उसी फॉर्मूले का भी सत्यापन करें जिसे हमने पहले चर्चा की थी।

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) जब R1 = R2 और R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v

हार्डवेयर पर अंतर एम्पलीफायर सर्किट का परीक्षण

अब मज़े की बात यह है कि चलो वास्तव में ब्रेडबोर्ड पर एक ही सर्किट का निर्माण करते हैं और जांचते हैं कि क्या हमें समान परिणाम प्राप्त करने में सक्षम हैं। मैं सर्किट बनाने के लिए LM324 Op-Amp का उपयोग कर रहा हूं और ब्रेडबोर्ड बिजली आपूर्ति मॉड्यूल का उपयोग कर रहा हूं जो हमने पहले बनाया था। यह मॉड्यूल 5 वी और 3.3 वी आउटपुट प्रदान कर सकता है, इसलिए मैं अपने ऑप-एम्प को पावर देने के लिए 5 वी पावर रेल और वी 1 के रूप में 3.3 वी पावर रेल का उपयोग कर रहा हूं। फिर मैंने पिन आर वी को 3.7 वी प्रदान करने के लिए अपने आरपीएस (विनियमित विद्युत आपूर्ति) का उपयोग किया। उतार-चढ़ाव के बीच का अंतर 0.4 है और हमारे पास 2.2 का लाभ है जो हमें 0.88 वी देना चाहिए और यही मुझे मिला है। नीचे दी गई तस्वीर सेट-अप और मल्टीमीटर को पढ़ने के साथ उस पर 0.88V दिखाती है।

यह साबित करता है कि विभेदक op-amp की हमारी समझ सही है और अब हम जानते हैं कि आवश्यक लाभ मूल्य के साथ अपने दम पर कैसे डिजाइन किया जाए। पूरा काम नीचे दिए गए वीडियो में भी देखा जा सकता है । ये सर्किट अधिक बार वॉल्यूम नियंत्रण अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं।

लेकिन, चूंकि सर्किट में इनपुट वोल्टेज पक्ष (V1 और V2) पर प्रतिरोध होते हैं, यह बहुत उच्च इनपुट प्रतिबाधा प्रदान नहीं करता है और इसमें उच्च आम मोड लाभ भी होता है जो कम सीएमआरआर अनुपात की ओर जाता है। इन नुकसानों को दूर करने के लिए इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर नामक अंतर एम्पलीफायर का एक सुधरा हुआ संस्करण मौजूद है, लेकिन इसे दूसरे ट्यूटोरियल के लिए छोड़ दें।

आशा है कि आप ट्यूटोरियल को समझ गए हैं और अंतर एम्पलीफायरों के बारे में जानने का आनंद लिया है। यदि आपके कोई प्रश्न हैं, तो उन्हें टिप्पणी अनुभाग में छोड़ दें या अधिक तकनीकी प्रश्नों और तेजी से प्रतिक्रिया के लिए मंचों का उपयोग करें।