Un amplificador operacional es un circuito analógico de muy alta ganancia que compara dos tensiones y genera una salida a partir de esa diferencia. Con unas pocas resistencias a su alrededor podemos comparar, amplificar, filtrar o adaptar señales con bastante precisión.
Estamos entrando en la parte más clásica de la electrónica analógica. Hasta ahora habíamos trabajado mucho con estados discretos, pero aquí empezamos a manipular señales continuas y a hacer que se comporten como nosotros queremos.
Su nombre viene de los antiguos ordenadores analógicos, donde se usaban para realizar operaciones matemáticas como sumar, restar, derivar o integrar. Hoy los usamos para todo: acondicionar sensores, filtrar audio, comparar niveles y amplificar señales débiles.
En este artículo vamos a ver las cuatro configuraciones que resuelven gran parte de los problemas analógicos.
¿Qué es un OpAmp?
Un OpAmp es un dispositivo de alta ganancia con dos entradas y una salida.
- Entrada no inversora (V₊): Marcada con un
+. - Entrada inversora (V₋): Marcada con un
-. - Salida (
): El resultado.
La ecuación fundamental que rige su comportamiento básico es:
Donde A es la ganancia en lazo abierto. Este valor es enorme (típicamente 100.000 o 1 millón).
Esto significa que el OpAmp amplifica la diferencia entre sus entradas bestialmente. Tanto, que si hay la más mínima diferencia, la salida se dispara hacia la alimentación positiva o negativa.
En la práctica, esa salida no puede crecer sin límite. Llega un momento en el que se queda pegada a los límites de alimentación, y a eso se le llama saturación. Esa saturación es justo lo que aprovechamos cuando usamos el OpAmp como comparador.
El comparador (lazo abierto)
Esta es la configuración más simple: sin realimentación (no conectamos la salida con la entrada).
Aprovechamos esa ganancia salvaje para tomar decisiones.
- Si
la salida se va al máximo positivo (Vcc). - Si
la salida se va al mínimo (GND o -Vcc).
Un comparador clásico: LM393
El LM393 es el comparador por excelencia en el mundo maker. Lo verás en casi todos los módulos de sensores analógicos con un potenciómetro azul y un pin digital D0.
Compara el voltaje del sensor analógico con un voltaje de referencia fijado por el potenciómetro.
- Cuando el transistor de salida queda abierto, la resistencia pull-up lleva la señal a
HIGH. - Cuando el transistor conduce, la salida baja a
LOW.
Así convertimos una señal analógica compleja en una digital simple.
El concepto de realimentación negativa
Para usar el OpAmp como amplificador y no solo en lazo abierto, aplicamos realimentación negativa.
Conectamos una parte de la salida de vuelta a la Entrada Inversora (V₋). Esto se llama Realimentación Negativa.
En un análisis ideal, con realimentación negativa y sin saturación, usamos dos aproximaciones:
- No entra corriente por las patas de entrada (Impedancia infinita).
- El OpAmp ajustará su salida para intentar que el voltaje en V₊ y V₋ sea IGUAL.
Esta segunda regla (“cortocircuito virtual”) es la que nos permite diseñar circuitos con una facilidad matemática pasmosa.
El seguidor de tensión (buffer)
En esta configuración conectamos directamente la salida a la entrada inversora (V₋). La señal entra por V₊.
Aplicando la regla, el OpAmp quiere que V₋ = V₊. Como
Ganancia = 1.
¿Para qué sirve si no amplifica? Sirve para adaptar impedancias.
- Tiene una impedancia de entrada alta y carga poco al sensor.
- Tiene una impedancia de salida baja, dentro del límite de corriente del dispositivo.
Es el “guardaespaldas” de la señal. Si tienes un sensor débil y le conectas una carga pesada, el voltaje caerá. Si pones un Buffer en medio, el sensor “ve” una pared infinita (no se cansa) y el Buffer se encarga de entregar la energía a la carga.
Amplificador no inversor
La señal entra por V₊. Ponemos un divisor de tensión en la realimentación hacia V₋.
Como el OpAmp fuerza que
La fórmula de ganancia es:
Características:
- La señal de salida tiene la misma fase que la entrada (si la entrada sube, la salida sube).
- La ganancia siempre es mayor o igual a 1.
- Tiene alta impedancia de entrada, por lo que es ideal para sensores.
Amplificador inversor
La señal entra por V₋ a través de una resistencia. La entrada V₊ se conecta a tierra (GND).
Como V₊ está a 0V, el OpAmp hará todo lo posible para que V₋ también sea 0V. A este punto se le llama tierra virtual.
La fórmula es:
Características:
- Invierte la señal (signo negativo). Si entra 1V, sale -2V (si la ganancia es 2).
- Puede atenuar si
. - Su impedancia de entrada depende de
.
Nota sobre Alimentación: Para tener voltajes negativos reales a la salida, necesitas una Fuente Dual (+12V y -12V). Si usas un Arduino con fuente simple (0V y 5V), el OpAmp no puede bajar de 0V, por lo que la configuración inversora requiere trucos adicionales (offset) para funcionar.
Fórmulas comunes
| Configuración | Fórmula salida | Uso principal |
|---|---|---|
| Comparador | Vcc o GND | Digitalizar señales analógicas (termostatos, sensores). |
| Seguidor | Adaptar impedancias, proteger señales débiles. | |
| No inversor | Amplificar sensores sin invertir fase. | |
| Inversor | Mezcladores de audio, operaciones matemáticas. |
