El amplificador operacional (comúnmente abreviado como Op-Amp, del inglés Operational Amplifier) es, sin lugar a dudas, uno de los componentes más versátiles y esenciales en el mundo de la electrónica analógica. No es solo un simple amplificador; es un bloque de construcción fundamental que permite realizar una inmensa variedad de operaciones matemáticas y de procesamiento de señales.
¿Qué es un Amplificador Operacional?
Un Op-Amp es un circuito integrado de alta ganancia (idealmente infinita) acoplado directamente (DC) que tiene dos entradas y una única salida.
Terminales Clave
- Entrada No Inversora ($V^+$): La señal aplicada a esta terminal aparece en la salida con la misma fase.
- Entrada Inversora ($V^-$): La señal aplicada a esta terminal aparece en la salida con una fase invertida (desfase de $180^{\circ}$).
- Salida ($V_{out}$): El voltaje de salida.
- Terminales de Alimentación ($+V_{cc}$ y $-V_{ee}$): Para la fuente de alimentación, típicamente simétrica (voltajes positivos y negativos).
La función principal del Op-Amp es amplificar la diferencia de voltaje entre sus dos entradas:
$$V_{out} = A_{OL} (V^+ – V^-)$$
donde $A_{OL}$ es la ganancia en lazo abierto, que es extremadamente grande (típicamente $10^5$ o más).
El Op-Amp Ideal vs. Real
Para simplificar el análisis de circuitos, a menudo se asume el comportamiento de un Op-Amp Ideal, cuyas características son clave para entender su funcionamiento:
|
Característica |
Ideal |
Real |
|
Ganancia en Lazo Abierto ($A_{OL}$) |
$\infty$ (Infinita) |
Muy grande ($> 100,000$) |
|
Impedancia de Entrada ($R_{in}$) |
$\infty$ (Infinita) |
Muy alta ($M\Omega$) |
|
Impedancia de Salida ($R_{out}$) |
$0$ (Cero) |
Muy baja ($\Omega$) |
|
Ancho de Banda (BW) |
$\infty$ (Infinito) |
Limitado |
La alta ganancia, junto con la realimentación negativa, es lo que permite que el Op-Amp se comporte como un circuito predecible y útil.
Aplicaciones Fundamentales
Aunque el Op-Amp tiene una ganancia gigantesca, rara vez se usa sin realimentación (una parte de la señal de salida se conecta de nuevo a una de las entradas). La realimentación negativa es lo que lo convierte en un dispositivo de precisión.
Algunas de las configuraciones y aplicaciones más comunes incluyen:
1. Amplificador Inversor
En esta configuración, la señal se aplica a la entrada inversora. La ganancia del circuito es fija y la salida es invertida:
$$A_v = -\frac{R_f}{R_{in}}$$
2. Amplificador No Inversor
La señal se aplica a la entrada no inversora. La ganancia es siempre mayor o igual a 1 y no hay inversión de fase:
$$A_v = 1 + \frac{R_f}{R_g}$$
3. Seguidor de Voltaje (Buffer)
Una configuración especial donde la salida está conectada directamente a la entrada inversora ($R_f=0$, $R_g=\infty$). La ganancia es unitaria ($A_v=1$). Su principal utilidad es aislar etapas de un circuito, ya que tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja.
4. Circuitos Operacionales
El nombre «operacional» proviene de su capacidad para realizar operaciones matemáticas en voltajes:
- Sumador: Suma varias señales de entrada.
- Restador: Resta una señal de otra.
- Integrador: Realiza la integración de la señal de entrada con respecto al tiempo.
- Diferenciador: Realiza la diferenciación de la señal de entrada con respecto al tiempo.
El Op-Amp es, en esencia, el caballo de batalla de la electrónica analógica, esencial para el diseño de filtros activos, osciladores, comparadores y cualquier sistema que requiera manipular señales con precisión.
