Un amplificador operacional, u op-amp, es un amplificador diferencial con una ganancia muy alta, con una elevada impedancia de entrada y una impedancia de salida baja. Los usos más típicos del amplificador operacional son proporcionar cambios de amplitud de voltaje (amplitud y polaridad), osciladores, circuitos de filtros y muchos otros tipos de circuitos de instrumentación. Un op-amp contiene varias etapas de amplificador diferencial para lograr una ganancia de voltaje muy alta.
 

La figura 5.1 muestra un op-amp básico con dos entradas y una salida, como podría resultar con el uso de una etapa de entrada diferencial. Cada entrada da como resultado una salida de la misma polaridad (o fase) o de la opuesta, dependiendo de si la señal se aplica en la entrada con el signo de más (+) o a la del signo de menos  (-).

Figura 5.1. Op-amp básico
 

Entrada de una sola terminal

La operación con la entrada en una sola terminal resulta cuando la señal de entrada se conecta a una terminal de entrada, mientras la otra terminal de entrada se conecta a la tierra. La figura 5.2 muestra las señales conectadas para esta operación. En la figura 5.2 la entrada se aplica a la terminal de entrada con un signo más (con la terminal de entrada con signo menos a tierra), lo que da como resultado una salida que tiene la misma polaridad que la de la señal aplicada a la entrada. La figura 5.3 muestra una señal de entrada aplicada a la terminal de entrada con un signo menos, siendo la salida opuesta en fase con la señal aplicada.
 

Figura 5.2. operación de una sola terminal (negativo en tierra común)
 

Figura 5.3. operación de una sola terminal (positivo en tierra común)
 
 

Entrada de una doble terminal (diferencial)

Además de usar una sola entras, es posible también aplicar señales en cada terminal de entrada. Por lo que se convierte en una operación de dos terminales. La figura 5.4 muestra una entras, Vd, aplicada entra las dos terminales de entrada (nótese que ninguna terminal de entrada está conectada a tierra), con la salida resultante amplificada en fase con la aplicada entre las terminales de entrada con signo más y con signo menos. La figura 5.5 muestra la misma acción que resulta cuando se aplican dos señales separadas a las terminales de entrada, siendo la señal diferencial Vi 1 - Vi 2.
 

Figura 5.4. Operación en doble terminal
 

Figura 5.5. Operación en doble terminal (diferencial)

Salida de una doble terminal

Aunque la operación tratada hasta ahora ha tenido una sola salida, el op-amp también puede operar con salidas opuestas, como se indica en la figura 5.6 una entrada aplicada a cualquier terminal de entrada dará como resultado salidas en ambas terminales de salida, siendo estas salidas siempre opuestas en polaridad.
 

Figura 5.6.Salida en doble terminal
 

Operación en modo común

Cuando se aplica la misma señal de entrada a ambas terminales de entrada, da como resultado la operación en modo común, como se muestra en la figura 5.7. Resulta ideal cuando las dos entradas son amplificadas de manera igual, y debido a que da como resultado señales de polaridad opuesta a la salida, estas señales se cancelan, dando como resultado una salida de 0 V.
 

Figura 5.7. Operación en modo común
 
 

Rechazo en modo común

Una característica importante de una conexión diferencial es que las señales que son puestas en las entradas están sólo ligeramente amplificadas; la operación global amplifica la señal diferencial, mientras que rechaza la señal común en las dos entradas. Debido a que el ruido (cualquier señal de entrada no deseada) es por lo general común a ambas entradas, la conexión diferencial tiende a proporcionar atenuación de esta entrada no deseada, mientras proporciona una salida amplificada de la señal diferencial aplicada a las entrada. Esta característica de operación, es conocida como rechazo en modo común.

Amplificador operacional básico

Un amplificador operacional es un amplificador de una ganancia muy alta que posee una impedancia de entrada muy alta (por lo general de unos cuantos megaohms) y una baja impedancia de salida (menos de 100?) . el circuito básico se construye con un amplificador diferencial que tiene dos entradas (más o menos) y al menos una salida. La figura 5.8 muestra una unidad op-amp. Como se dijo anteriormente, la entrada positiva (+) produce una salida que está en fase a la señal aplicada, en cambio, una entrada en la terminal de entrada negativo (-) da como resultado una salida de polaridad opuesta. En la figura 5.9 se indica el circuito equivalente en ac del ap-amp. Como se muestre, la señal de entrada aplicada entre las terminales de entrada se ve como una impedancia de entrada, Ri, por lo general muy alta. El voltaje de salida se muestre como la ganancia del amplificador multiplicada por la señal de entrada tomada a través de una impedancia da salida, R0, que es normalmente muy baja. Un circuito op-amp ideal. Tal como se muestre en la figura 5.10, tendría impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero y una ganancia de voltaje infinita.

Figura 5.8 Op-amp básico
 
 

Figura 5.9 Equivalente de ac de un circuito práctico
 
 

Figura 5.10 Equivalente de ac de un circuito ideal
 

Op-amp básico

En la figura 5.11 se muestra la conexión del circuito básico usando un op-amp. Este circuito proporciona una operación como un multiplicador de ganancia constante. Una señal de entrada V1, se aplica a través de una resistencia R1, a la terminal de entrada de signo menos. Luego, la salida se vuelve a conectar de regreso a la misma terminal de entrada de signo menos a través de una resistencia Ef; por su parte, la terminal de entrada de signo más está conectada a tierra. Debido a que la señal V1 está aplicada a la terminal de entrada del signo menos, la salida resultante está opuesta en fase con la señal de entrada. La figura 14.12 muestra al op-amp reemplazado por su circuito equivalente de ac. Si usamos el circuito equivalente del op-amp ideal, reemplazamos Ri por una resistencia infinita y R0 por una resistencia cero, se tiene al circuito equivalente de ac que se muestra en la figura 14.13.
 
 
 

Figura 5.11. Conexión de un op-amp básico
 

Figura 5.12. Operación de un op-amp como multiplicador de ganancia constante equivalente de ac del op-amp
 

Figura 5.13. Operación de un op-amp como multiplicador de ganancia constante equivalente de op-amp ideal

Usando superposición, podemos resolver para el voltaje V1 en terminos de los componentes debidos a cada una de las fuentes. Para la fuente V1 solamente (-AvVi igual a cero),
 
 

          Rf
Vi = ---------- V1
      R1 + Rf

Para la fuente -AvVi solamente (V1 igual a cero)
 

             R1
Vi2 = ---------- -AvV1
          R1 + Rf

                              Rf                         R1
Vi = Vi1  + Vi2 =  ------------  V1 + ----------- (-AvV1)
                             R1 + Rf             R1 + Rf

Que puede resolverse para Vi como
 

                 Rf
Vi = -------------------- V1
       Rf + (1+ Av) R1

          Rf
Vi = ---------- V1
          AvR1

Si resolvemos para Vo / Vi, obtenemos
 

Vo      -Av Vi     -Av R    fVi          Rf  V1
--- = ---------- = -------- ------  = -  ---- ----
Vi          Vi            Vi    Av R1       R1  Vi

Por lo que
 

Vo         Rf
---- = -  ----
Vi         R1

El resultado de la ecuación anterior muestra que la relación de la salida total al  voltaje de entrada depende únicamente de los valores de las resistencias R1 y Rf, siempre y cuando Av sea muy grande.
 

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