Hiện nay, các mạch tính toán tương tự dùng op-amp (tích phân, vi phân, nhân) đang được sử dụng vô cùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Bài viết này sẽ phân tích tổng quan các mạch tích phân, vi phân và mạch nhân để giúp người đọc hiểu rõ về khái niệm, cách thức hoạt động và ứng dụng của chúng.

Tìm hiểu về mạch tích phân sử dụng op-amps

Để hiểu về mạch tích phân sử dụng op-amps, ta bắt đầu với một ví dụ vô cùng đơn giản. Đầu tiên, bạn hãy tưởng tượng bạn đang cầm một chiếc xô để hứng nước từ một vòi chảy. Khi đó, lượng nước trong xô tại bất kỳ thời điểm nào chính bằng tổng lượng nước đã chảy vào từ ban đầu. Từ đó, chúng ta có thể tưởng tượng mạch tích phân sử dụng Op-amp vận hành tương tự nguyên lý đó. Chúng ta cùng tìm hiểu một vài vấn đề đơn giản về nguyên lý hoạt động, kết quả đầu ra và ứng dụng thực tế của mạch tích phân như sau:

• Về nguyên lý hoạt động: Thay vì dùng xô để hứng nước trong ví dụ nêu trên, mạch tích phân sử dụng tụ điện để chứa các hạt điện tích. Cụ thể, một dòng điện được đưa vào mạch thì tụ điện sẽ được tích điện theo thời gian.
• Về kết quả đầu ra: Trong quá trình hoạt động, điện áp đầu ra của Op-amp sẽ tăng lên hoặc giảm xuống một cách mượt mà thay vì được giữ ở mức ổn định. Tuy nhiên, giá trị điện áp này sẽ là một đường thẳng dốc đi lên hoặc đi xuống nếu giá trị điện áp đầu vào là một giá trị ổn định.
• Về ứng dụng thực tế: Hiện nay, mạch tích phân sử dụng op-amps được xem là bộ phận cốt lõi và vô cùng quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đo lường năng lượng tiêu thụ hay các bộ lọc. Chúng có vai trò làm mượt các tín hiệu bị nhiễu, từ đó giúp hệ thống tập trung vào xu hướng hoạt động tổng thể mà không bị tác động bởi biến động mạnh.

Tìm hiểu về mạch vi phân sử dụng op-amps 

Sau khi tìm hiểu về mạch tích phân, trong phần này chúng ta cùng tìm hiểu về mạch vi phân sử dụng op-amps. Hiện nay, mạch vi phân có cấu trúc và nguyên lý hoạt động khác hoàn toàn so với mạch tích phân. Tương tự như phần trên, chúng ta sẽ phân tích cụ thể về nguyên lý hoạt động, kết quả đầu ra và ứng dụng thực tế của mạch vi phân. 

• Về nguyên lý hoạt động của mạch vi phân: Khác với mạch tích phân, mạch vi phân được thiết kế để chặn lại các tín hiệu ổn định. Cụ thể, nếu đầu vào của mạch vi phân là một điện áp ổn định thì đầu ra của nó sẽ là một điện áp có giá trị 0. Tuy nhiên, nếu tín hiệu đầu vào này có sự thay đổi nhỏ về tốc độ hoặc độ lớn thì điện áp đầu ra của mạch vi phân này sẽ tăng đột biến do có sự thay đổi của yếu tố đầu vào.
• Kết quả đầu ra của mạch vi phân: Theo nguyên lý hoạt động ở trên, tín hiệu đầu ra của mạch vi phân sẽ tỷ lệ thuận với độ lớn sự thay đổi của tín hiệu đầu vào. Do đó, khi tốc độ thay đổi của tín hiệu đầu vào càng nhanh thì điện áp đầu ra của mạch vi phân sẽ càng lớn.
• Ứng dụng thực tế của mạch vi phân: Hiện nay, mạch vi phân đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong đó, một số ứng dụng điển hình của mạch vi phân được nhắc đến như phát hiện các sự cố xảy ra đột ngột trong một hệ thống.

Tìm hiểu về mạch nhân sử dụng op-amps

So với phép cộng và trừ trong miền analog, phép nhân luôn được xem là một thách thức khó khăn hơn dành cho các kỹ sư. Điều này là do phép cộng và trừ chỉ cần kết hợp các dòng điện xảy ra tại một điểm bất kỳ, trong khi đó phép nhân trong analog lại yêu cầu hai tín hiệu đó phải có sự tác động qua lại lẫn nhau để cùng tạo ra một kết quả mới. Phần này tập trung vào nguyên lý vận hành, kết quả đầu ra và các ứng dụng thực tế của mạch nhân sử dụng op-amps.

• Về nguyên lý vận hành của mạch nhân: Để thực hiện phép nhân, các kỹ sư cần tận dụng đặc tính tự nhiên của các linh kiện bán dẫn như transistor để chúng phản hồi theo dạng hàm số đặc biệt. Tiếp đó, hai tín hiệu điện áp đầu vào được biến đổi và ghép theo cấu trúc mạch để tương tác và tạo ra tích ở đầu ra. 
• Về kết quả đầu ra của mạch nhân: Đầu ra của mạch nhân là sự kết hợp của hai đại lượng trong quá trình tương tác. Ví dụ, nếu hai tín hiệu đầu vào là điện áp và dòng điện thì tín hiệu đầu ra của mạch nhân sẽ là tín hiệu công suất.
• Về ứng dụng thực tế của mạch nhân: Hiện nay, mạch nhân được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng điển hình của mạch nhân có thể kể đến như bộ điều chỉnh âm lượng tự động, các loại cảm biến thông minh hay các thiết bị viễn thông.

Vai trò của mạch analog trong thời đại ngày nay

Ngày nay, dù các thiết bị hiện đại như máy tính hay điện thoại đã có thể thực hiện được nhiều phép tính toán trong thời gian ngắn, nhưng mạch op-amp vẫn giữ được vai trò thiết yếu của nó nhờ những nguyên nhân sau đây:

• Tốc độ xử lý nhanh chóng: Một trong những ưu điểm của mạch analog là chúng sẽ xử lý vấn đề ngay lập tức mà không có thời gian trễ. Theo các đơn vị sản xuất, khi tín hiệu được đưa qua linh kiện thì phép toán trong mạch có thể xảy ra với tốc độ ánh sáng.
• Độ phân giải vô hạn:  Một trong những ưu điểm vượt trội của mạch analog so với máy tính là chúng xử lý được các tín hiệu liên tục mà không phải làm tròn như máy tính.
• Tiết kiệm năng lượng: Mạch analog sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn đối với những phép toán cố định và đơn giản so với máy tính.

Kết luận

Nhìn chung, mạch analog đang đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, giáo dục, công nghiệp. Do vậy, các kỹ sư cần nắm bắt được kiến thức cụ thể về từng loại mạch analog để ứng dụng chúng trong các lĩnh vực khác nhau.