Ganancia no inversora

Concepto y fórmula

Ejemplo rápido

Con R1 = 1 kΩ y R2 = 10 kΩ, Av = 11 V/V.

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Qué revisar en un diseño real

• Verifica que Vout no supere los rieles de alimentación.
• El ancho de banda disminuye a medida que aumenta la ganancia cerrada.
• Usa resistencias con tolerancia adecuada cuando la ganancia deba ser precisa.

Intuición: el op-amp persigue el equilibrio

Un amplificador operacional tiene una ganancia en lazo abierto enorme, típicamente de cientos de miles de veces. Por sí solo no sirve para amplificar con precisión: una diferencia de microvoltios entre sus entradas basta para llevar la salida a uno de los rieles. El truco es la realimentación negativa: se devuelve una parte de la salida a la entrada inversora, y el op-amp ajusta su salida hasta que la tensión en esa entrada iguala a la de la entrada no inversora.

En el no inversor, la red R2–R1 es un divisor de voltaje que entrega a la entrada − la fracción R1 / (R1 + R2) de la salida. Si esa fracción debe valer V_in, la salida tiene que ser V_in · (R1 + R2) / R1 = V_in · (1 + R2 / R1). La ganancia no depende del op-amp, sino de dos resistencias, que son baratas, estables y precisas.

Las dos reglas de oro

Con realimentación negativa y un op-amp ideal, el análisis se reduce a dos reglas: las entradas no consumen corriente y la tensión entre ellas es cero (cortocircuito virtual). Con ellas se deducen casi todos los circuitos con op-amps. La realidad añade límites: la salida no supera los rieles, el ancho de banda es finito y existen pequeños desplazamientos de tensión (offset) y corrientes de polarización.

Un poco de historia

La realimentación negativa la inventó Harold Black, ingeniero de los Laboratorios Bell, en 1927, para reducir la distorsión de los repetidores telefónicos de larga distancia: sacrificaba ganancia a cambio de estabilidad y linealidad. El nombre “amplificador operacional” viene de los computadores analógicos de los años 40, donde estos amplificadores realizaban operaciones matemáticas como sumar o integrar. Los primeros eran de válvulas; en 1968 apareció el μA741 de Fairchild, un op-amp integrado y fácil de usar que se convirtió en uno de los circuitos integrados más populares de la historia.

Ejemplo 1: el seguidor de tensión

Si R2 = 0 y se elimina R1, la ganancia es 1 + 0 = 1: la salida copia la entrada. Parece inútil, pero no lo es. El seguidor tiene una impedancia de entrada altísima y una impedancia de salida muy baja, así que puede tomar la señal de un divisor de 100 kΩ sin cargarlo y entregarla a un ADC o a una carga de pocos kΩ. Es la solución al problema de carga de los divisores de voltaje.

Ejemplo 2: preamplificador para un micrófono

Un micrófono electret entrega del orden de decenas de milivoltios y quieres llevar la señal a un nivel cercano a 1 V. Una ganancia de 1 + 100 kΩ / 2.2 kΩ ≈ 46.5 (≈ 33.3 dB) convierte 20 mV en unos 0.93 V. Si alimentas con una sola fuente de 5 V, polariza la entrada + a 2.5 V con un divisor y acopla la señal con un capacitor; además, pon un capacitor en serie con R1 para que la componente continua tenga ganancia 1 y la salida quede centrada en 2.5 V. Con un op-amp de 1 MHz de GBW, el ancho de banda es ≈ 1 MHz / 46.5 ≈ 21.5 kHz, justo por encima del rango audible.

Ejemplo 3: el compromiso ganancia–ancho de banda

Necesitas una ganancia de 100 para una señal de 50 kHz. Con un op-amp de 1 MHz de GBW, una sola etapa da un ancho de banda de apenas 10 kHz: la señal saldría muy atenuada. La solución es dividir la ganancia en dos etapas de 10 cada una (1 + 9.1 kΩ / 1 kΩ ≈ 10.1). Cada etapa tiene ≈ 99 kHz de ancho de banda y la ganancia total es ≈ 102, es decir, 40.2 dB. Encadenar etapas es una técnica habitual cuando el GBW es el factor limitante.

Confusiones frecuentes

• “El op-amp crea energía”: la potencia de salida la aporta la fuente de alimentación; el op-amp solo la controla, y su salida nunca supera los rieles.
• “La entrada − está a tierra”: en el no inversor la entrada − sigue a la entrada +, no está a 0 V. La tierra virtual es propia del inversor.
• “Cualquier op-amp sirve”: para señales de sensores con alimentación simple se necesita un modelo cuyo rango de entrada y de salida incluya 0 V.

Aplicaciones reales

• Acondicionamiento de sensores: termopares, galgas y fotodiodos producen señales pequeñas que se amplifican antes del ADC.
• Preamplificadores de audio para micrófonos e instrumentos.
• Buffers (seguidores) para referencias de tensión, divisores y salidas de DAC.
• Instrumentación: los amplificadores de instrumentación combinan etapas no inversoras para medir diferencias pequeñas con mucho ruido común.
• Filtros activos: las topologías Sallen-Key usan una etapa no inversora para fijar la ganancia del filtro.

Calcula tus valores con la calculadora de ganancia no inversora, compara con la configuración inversora y expresa el resultado en decibelios.