Amplificador operacional: qué es, cómo funciona y ejemplos

Montaje de un amplificador operacional en una protoboard junto a un multímetro y componentes electrónicos.

¿Por qué un amplificador operacional tiene dos entradas si solo ofrece una salida? Porque el circuito no amplifica una señal aislada, sino la diferencia de tensión entre sus entradas. En este artículo aprenderás a interpretar su símbolo, entender la realimentación negativa y calcular circuitos básicos como el inversor y el no inversor. También verás qué cambia entre el modelo ideal y un componente real, cómo se aplica en electrónica y qué comprobaciones ayudan a localizar un montaje incorrecto.

Amplificador operacional: qué es y cómo funciona

Un amplificador operacional es un circuito integrado que amplifica la diferencia de tensión entre una entrada inversora y una entrada no inversora.

Por tanto, no es correcto describirlo simplemente como un componente que «hace más grande» cualquier señal. Su comportamiento depende de dos tensiones: la aplicada entre la entrada no inversora, marcada con el signo +, y la aplicada entre la entrada inversora, marcada con el signo −.

Terminal Función
Entrada no inversora (+) Una variación positiva tiende a elevar la salida.
Entrada inversora (−) Una variación positiva tiende a reducir la salida.
Salida Entrega una tensión relacionada con la diferencia entre las entradas.
Alimentación Proporciona la energía necesaria para que funcione el circuito interno.

Una representación conceptual del símbolo es la siguiente:

Esquema simbólico
Entrada inversora (−) ▶ Salida
Entrada no inversora (+)
Alimentación positiva (+VCC) y alimentación negativa o referencia de masa, según el circuito

La relación básica se expresa como Vsalida = AOL · (V+ − V−), donde AOL es la ganancia en lazo abierto. Esta ecuación es conceptual: si el resultado supera las tensiones disponibles de alimentación, la salida no puede seguir creciendo indefinidamente y el amplificador entra en saturación.

La definición de Electrónica Práctica Aplicada parte precisamente de la existencia de dos entradas y una salida. Las entradas no se conectan por defecto a VCC ni a masa. Tampoco la salida se une automáticamente a la entrada positiva mediante una resistencia: esas conexiones solo aparecen en circuitos concretos.

La realimentación negativa conecta una parte de la salida con la entrada inversora para reducir el error entre las dos entradas y fijar una ganancia controlada por componentes externos. Es como un sistema que observa continuamente su resultado y corrige su propia respuesta.

En el modelo ideal, la ganancia interna es muy elevada y basta una diferencia pequeña entre entradas para controlar la salida. En un circuito lineal con realimentación negativa se utiliza entonces la aproximación V+ ≈ V−, pero esta igualdad no es una ley universal. Depende de que exista realimentación negativa y de que el amplificador no esté saturado.

Conceptos clave:

  • El AO amplifica una diferencia de tensión.
  • Las entradas de señal no son terminales de alimentación.
  • La alimentación permite que exista una salida eléctrica.
  • La realimentación negativa determina el comportamiento útil del circuito.
  • La ganancia puede expresarse como una relación de tensiones, no únicamente en decibelios.

Partes, símbolo y características del modelo ideal

El símbolo de un amplificador operacional distingue tres funciones principales: dos entradas de tensión, una salida y unos terminales de alimentación.

La entrada inversora se identifica con V− y la no inversora con V+. El signo no indica que una entrada deba conectarse a una tensión negativa: indica cómo influye una variación de esa entrada en la salida.

Parámetro Modelo ideal Consecuencia práctica
Ganancia diferencial en lazo abierto Muy elevada, idealmente infinita Una diferencia pequeña entre entradas puede producir una gran variación de salida.
Impedancia de entrada Idealmente infinita Las entradas no absorben corriente.
Corriente de entrada Idealmente nula La corriente circula por la red externa, no por las entradas ideales.
Impedancia de salida Idealmente nula La salida puede entregar tensión sin caída interna en el modelo.
Alimentación Necesaria El AO real necesita energía para generar y regular su salida.

Tal como recogen los materiales docentes de la Universidad Miguel Hernández, el símbolo circuital identifica las entradas, la salida y las alimentaciones. En un esquema simplificado pueden no aparecer los terminales de alimentación, aunque siguen siendo necesarios en el componente físico.

La ganancia diferencial compara las dos entradas. Si V+ es mayor que V−, la salida tiende a aumentar; si V− es mayor, tiende a disminuir. La dirección exacta y el valor final dependen de la realimentación y de la alimentación disponible.

La impedancia de entrada explica por qué una fuente conectada a una entrada apenas se carga en el modelo ideal. No debe confundirse con una impedancia baja. En un componente real es finita y puede existir una pequeña corriente de polarización.

La alimentación también condiciona el rango de tensiones que puede aceptar el circuito. Hay que distinguir los raíles de alimentación del rango de modo común, que es el intervalo de tensión en el que las entradas pueden operar correctamente respecto a la referencia del circuito.

Estas propiedades son aproximaciones para analizar circuitos sin resolver toda la electrónica interna. No son valores universales de todos los amplificadores operacionales. La ganancia, las corrientes, la tensión de alimentación y los márgenes admisibles dependen del modelo concreto y deben comprobarse en su hoja de datos.

Una forma útil de estudiar el símbolo consiste en hacerse tres preguntas: ¿qué tensión llega a cada entrada?, ¿dónde está conectada la realimentación? y ¿qué alimentación tiene el circuito? Estas preguntas explican mejor el funcionamiento que memorizar una lista aislada de propiedades.

Cómo calcular circuitos con amplificadores operacionales

Un circuito con realimentación negativa se calcula relacionando la red externa con la diferencia de tensión entre las entradas.

  1. Identifica las entradas. Localiza V+, V− y la salida. Comprueba que no se han intercambiado los signos.
  2. Comprueba la alimentación. Determina los raíles disponibles y verifica que la salida calculada puede mantenerse dentro de ellos.
  3. Localiza la realimentación. En un circuito lineal habitual, una parte de la salida vuelve a la entrada inversora.
  4. Aplica el modelo ideal con cuidado. Si hay realimentación negativa y el AO funciona sin saturarse, se usa V+ ≈ V− y corriente de entrada aproximadamente nula.
  5. Calcula y verifica. Obtén la expresión de salida y compárala con la alimentación y con las condiciones del componente.

En el amplificador inversor, la señal entra a la entrada inversora a través de una resistencia R1, mientras una resistencia R2 conecta la salida con esa misma entrada. La entrada no inversora se fija a una referencia, que suele ser masa en una alimentación simétrica.

La ecuación ideal es Vsalida = −(R2/R1) · Ventrada. El signo negativo indica inversión de fase. Por ejemplo, si R1 = 10 kΩ, R2 = 30 kΩ y Ventrada = 0,2 V, el resultado ideal sería −0,6 V, siempre que la alimentación y el AO permitan esa salida.

En el amplificador no inversor, la señal se conecta a V+. La red de resistencias devuelve una fracción de la salida a V−. La ganancia ideal es Vsalida/Ventrada = 1 + R2/R1. Con R1 = 10 kΩ, R2 = 20 kΩ y una entrada de 0,2 V, la salida calculada sería 0,6 V.

La llamada masa virtual aparece cuando V+ está conectado a masa y la realimentación negativa mantiene V− aproximadamente en cero voltios. No es una conexión física a masa: es una tensión aproximada impuesta por el funcionamiento del circuito.

La guía de Arrow incluye configuraciones como el seguidor, el inversor y otros montajes habituales. Si el cálculo exige una salida superior a los raíles, o si la realimentación es positiva, las reglas anteriores dejan de describir correctamente el circuito.

Comprobación final: no basta con aplicar una fórmula. Mide o calcula la alimentación, V+, V− y Vsalida; después confirma que existe continuidad en la realimentación y que el AO permanece en región lineal.

Aplicaciones prácticas: qué se puede hacer con un amplificador operacional

Un amplificador operacional permite amplificar, adaptar, combinar y filtrar señales mediante una red externa de resistencias, condensadores y, en algunos casos, diodos.

Aplicación Qué entra y qué sale Componentes y precauciones
Amplificador inversor o no inversor Una tensión de entrada y una salida escalada, con inversión o sin ella. Resistencias; hay que respetar alimentación, ganancia y límites de salida.
Seguidor de tensión La salida reproduce aproximadamente la tensión de entrada. Realimentación directa; adapta impedancias, pero no entrega potencia ilimitada.
Sumador o restador Varias entradas combinadas en una tensión de salida. Redes de resistencias; los valores fijan el peso de cada señal.
Filtro activo Una señal filtrada según su frecuencia. Resistencias, condensadores y AO; importan ancho de banda y estabilidad.
Integrador o derivador Una salida relacionada con la integral o la variación de la entrada. Condensadores; el rango de frecuencia y la saturación son decisivos.
Comparador Una salida que cambia según qué entrada sea mayor. Puede funcionar sin realimentación negativa y fuera de la región lineal.
Acondicionamiento de sensores Una señal pequeña adaptada para su medida o procesamiento. Hay que revisar ruido, offset, modo común y alimentación.

En un seguidor de tensión, la salida se conecta a la entrada inversora y la señal se aplica a la no inversora. La ganancia de tensión ideal es uno, pero el circuito ofrece una entrada de alta impedancia y una salida de impedancia menor, dentro de los límites del AO y de la frecuencia de trabajo.

Por ejemplo, un sensor puede generar una tensión que no conviene cargar con la entrada del circuito siguiente. El seguidor puede transferir esa tensión sin modificarla idealmente, aunque su capacidad real para alimentar una carga depende del componente y de la corriente exigida.

Un filtro activo combina la respuesta de resistencias y condensadores con la acción del AO. A diferencia de un filtro pasivo, puede proporcionar ganancia o aislamiento entre etapas. Sin embargo, no funciona igual a cualquier frecuencia: el ancho de banda, la estabilidad y el tiempo de respuesta limitan el resultado.

Los sumadores y restadores permiten construir circuitos de tratamiento analógico. La tensión final depende de las resistencias asociadas a cada entrada. Esta técnica aparece en sistemas de medida, control y procesamiento de señales, ámbitos que también recoge 330ohms.

Cuando se usa como comparador, el objetivo no es mantener una relación lineal entre entrada y salida. Una diferencia de tensión hace que la salida se dirija hacia uno de sus extremos. Por eso no deben aplicarse automáticamente las reglas del inversor o del no inversor.

Un AO tampoco es, por sí mismo, un amplificador de potencia. Puede procesar una señal y entregar cierta corriente, pero una carga exigente puede necesitar una etapa específica. Antes de elegirlo hay que revisar frecuencia, alimentación, carga, margen de salida y corriente disponible.

Amplificador operacional ideal frente a uno real: diferencias que importan

Un amplificador operacional real se aparta del modelo ideal porque tiene ganancia finita, respuesta limitada y errores eléctricos propios.

Modelo ideal Componente real Consecuencia en el circuito
Ganancia en lazo abierto infinita Ganancia elevada pero finita. La igualdad V+ ≈ V− solo es aproximada y la ganancia puede variar con la frecuencia.
Ancho de banda ilimitado Ancho de banda limitado y producto ganancia-ancho de banda finito. Una ganancia alta reduce el margen de frecuencia útil.
Offset nulo Tensión de offset. Puede aparecer una tensión de salida aunque la diferencia ideal de entrada sea cero.
Corriente de entrada nula Corrientes de polarización. Las resistencias de entrada pueden producir errores adicionales.
Respuesta instantánea Slew rate limitado. La salida no puede cambiar de tensión a cualquier velocidad.
Salida sin límites Márgenes de salida y saturación. La salida puede quedarse cerca de un raíl y dejar de seguir la ecuación.
Modo común ilimitado Rango de modo común especificado. Las entradas pueden dejar de funcionar correctamente fuera de ese intervalo.
Sin ruido Ruido eléctrico y posibles problemas de estabilidad. La medida puede alejarse del valor calculado o el circuito puede oscilar.

La descripción de Wikipedia recoge diferencias como la ganancia en lazo abierto finita, la impedancia de entrada no infinita y la impedancia de salida no nula. Estas características no invalidan el modelo ideal: indican cuándo hay que sustituir una aproximación por los datos del componente.

El offset importa especialmente al amplificar señales pequeñas. Una tensión de error muy pequeña en la entrada puede traducirse en un error mayor en la salida debido a la ganancia del circuito. Las corrientes de polarización producen un efecto parecido cuando atraviesan resistencias elevadas.

El ancho de banda y el producto ganancia-ancho de banda explican por qué una configuración que funciona en continua puede no responder igual con una señal rápida. El slew rate añade otra limitación: una onda de gran amplitud y alta frecuencia puede exigir cambios demasiado rápidos para el AO.

La saturación aparece cuando la salida solicitada queda fuera del margen que permiten la alimentación y el componente. En ese estado, la salida deja de obedecer la ecuación lineal. El tiempo de recuperación posterior también puede influir en circuitos que alternan entre saturación y funcionamiento lineal.

Para elegir un AO hay que consultar la hoja de datos del modelo concreto y responder a varias preguntas: ¿qué alimentación tiene?, ¿qué tensión de entrada admite?, ¿qué ganancia y frecuencia necesita la aplicación?, ¿qué carga debe mover?, ¿cuánto error y ruido son aceptables? Si el circuito trabaja fuera de la región lineal, conviene estudiar si se necesita realmente un comparador.

Errores frecuentes al montar o interpretar un amplificador operacional

La mayoría de los fallos en un circuito con AO procede de una conexión incorrecta, una hipótesis aplicada fuera de contexto o un límite eléctrico ignorado.

  • Confundir V+ y V−. El inversor cambia de signo respecto al no inversor. Comprueba el símbolo antes de usar una fórmula.
  • Olvidar la alimentación. Las entradas y la salida no sustituyen a los terminales de alimentación. Mide los raíles directamente en el componente.
  • Dejar una entrada sin referencia. Una entrada flotante puede recoger interferencias y producir una tensión impredecible. Debe existir una conexión definida según el diseño.
  • Invertir la realimentación. La realimentación negativa favorece el funcionamiento lineal; una conexión positiva puede llevar la salida rápidamente hacia un extremo.
  • Ignorar la saturación. Si la salida calculada supera los límites del AO, el valor real queda recortado o se aproxima a un raíl.
  • Superar el rango de modo común. Las entradas pueden estar dentro de la alimentación y, aun así, fuera del intervalo admitido por el componente.
  • Exigir demasiada corriente. Una carga baja puede pedir más corriente de la que el AO puede proporcionar o absorber.
  • Aplicar las reglas ideales a un comparador. Sin realimentación negativa y en saturación no se puede suponer V+ ≈ V−.

Un diagnóstico eficaz empieza por la alimentación: mide tensión positiva, tensión negativa o referencia de masa, según el montaje. Después mide ambas entradas y la salida, siempre respecto al mismo punto de referencia.

Si la salida permanece cerca de un extremo, revisa primero la polaridad de las entradas, la continuidad de la realimentación y el rango de modo común. Si oscila, comprueba el montaje, las conexiones de alimentación y la estabilidad indicada para el componente.

En un inversor que entrega el signo equivocado, el síntoma suele apuntar a una entrada intercambiada o a una red de resistencias conectada al terminal incorrecto. En un seguidor que no reproduce la entrada, comprueba que la salida llega realmente a V− y que la carga no exige una corriente excesiva.

La relación entre entradas en funcionamiento lineal es una aproximación documentada por la Universitat Politècnica de Catalunya, no una condición válida para cualquier estado del circuito.

Lista de comprobación:

  1. Identifica el modelo y consulta su hoja de datos.
  2. Comprueba la alimentación y la referencia de masa.
  3. Verifica la posición de V+ y V−.
  4. Localiza y mide la continuidad de la realimentación.
  5. Mide entradas y salida con el mismo instrumento de referencia.
  6. Compara la salida calculada con sus límites de alimentación.
  7. Revisa frecuencia, carga, modo común y estabilidad.

Preguntas frecuentes sobre amplificadores operacionales

¿Qué diferencia hay entre un amplificador operacional y un amplificador convencional?

El AO es un circuito integrado de alta ganancia pensado para configurarse mediante componentes externos. La realimentación determina si actúa como amplificador, filtro, sumador, seguidor u otra función.

¿Por qué tiene dos entradas?

Porque responde a la diferencia de tensión entre V+ y V−. Así puede amplificar una señal respecto a una referencia o comparar dos señales.

¿Qué significan las entradas inversora y no inversora?

Una variación positiva en V+ tiende a elevar la salida, mientras que una variación positiva en V− tiende a reducirla. Los signos no representan directamente la polaridad de la alimentación.

¿Un AO amplifica tensión o corriente?

Su función principal se describe como amplificación de tensión. La salida puede suministrar corriente, pero dentro de los límites especificados para el componente; no es automáticamente una etapa de potencia.

¿Puede funcionar con una sola fuente de alimentación?

Sí, algunos modelos y circuitos funcionan con una alimentación simple. En ese caso hay que establecer correctamente las referencias y comprobar el rango de entrada y de salida del modelo concreto.

¿Qué es la saturación?

Es el estado en el que la salida ya no puede alcanzar la tensión solicitada por la ecuación porque se acerca a los límites impuestos por la alimentación y el componente.

¿Cuándo se usa como comparador?

Cuando interesa decidir cuál de las dos entradas es mayor y llevar la salida hacia uno de sus extremos. En ese uso no se aplican sin más las hipótesis del funcionamiento lineal con realimentación negativa.

¿La ganancia se mide en voltios o en decibelios?

La ganancia de tensión es una relación entre tensiones, por ejemplo Vsalida/Ventrada, y no tiene unidades. También puede expresarse en decibelios, pero no únicamente de esa forma.

¿Por qué hace falta realimentación?

La ganancia interna en lazo abierto es demasiado elevada para controlar directamente la salida con precisión. La realimentación negativa devuelve parte de la salida y permite fijar un comportamiento más predecible con resistencias y otros componentes.

Regla práctica: antes de aplicar cualquier fórmula, identifica las entradas, comprueba la alimentación, localiza la realimentación y verifica que la salida calculada cabe dentro de los límites del AO. Como reto, dibuja un inversor y un no inversor, señala V+ y V− y explica qué signo tendrá la salida en cada caso.

Fuentes

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