Como mencionamos anteriormente, los amplificadores operaciones son muy populares hoy en día, pues cumplen con todas las características mencionadas en la sección anterior. Los amplificadores operacionales construidos con circuitos integrados permiten construir dispositivos de menor tamaño que sus contrapartes discretas, en especial los dispositivos que emplean tubos al vacío.

El diseño básico de un amplificador operacional consiste en dos terminales de entrada: una que no invertirá la señal y una que sí lo hará; dos terminales para el suministro de potencia: uno positivo y otro negativo; una terminal de salida; y terminales adicionales especializadas para hacer pequeños ajustes en el circuito (Figura 13.2).

Figura 13.2: Diseño básico de un amplificador diferencial

A este tipo de amplificadores se les conoce como amplificadores diferenciales, pues amplificará únicamente la diferencia entre los dos voltajes conectados a él. Podemos calcular el voltaje de salida si conocemos la magnitud de los voltajes de entrada y la ganancia del amplificador, simbolizada por la letra A.

Figura 13.3: Voltaje de salida del amplificador

En los amplificadores operaciones, se emplea un diseño modificado del amplificador diferencial recién estudiado. En este nuevo diseño, uno de los terminales de entrada del amplificador se conecta a tierra (Figura 13.4). Ahora bien, es posible conectar a tierra el terminal que antes recibía el voltaje V-. De esta manera, únicamente el voltaje V+ alcanzará el amplificador. A este diseño se le llama non inverting. Hemos sustituido la nomenclatura V+ por Vin, o voltaje de entrada. 

También es posible conectar el amplificador de la forma contraria: el terminal que antes recibía V+ se conecta a tierra, de manera que el voltaje V- sea ahora el voltaje de entrada del amplificador. A este diseño se le denomina inverting.

Figura 13.4: Amplificadores Inverting y Non Inverting

Pero, ¿cómo funciona el amplificador? Analicemos el comportamiento de ambos diseños, dependiendo del voltaje aplicado. Iniciemos con el comportamiento del diseño non inverting. Cuando el voltaje de entrada es positivo, el amplificador generará inmediatamente un voltaje de salida  de la misma magnitud que el voltaje de suministro Vs, con signo positivo (Figura 13.5). De manera similar, cuando el voltaje de entrada es negativo, el amplificador generará un voltaje con la magnitud del voltaje de suministro y signo negativo.

Figura 13.5: Voltaje resultante de la configuración non inverting

Analicemos ahora el comportamiento del diseño inverting. Cuando el voltaje que alcanza el amplificador sea positivo, se generará un voltaje de salida con magnitud igual al voltaje de suministro, pero con signo negativo (Figura 13.6). Por el contrario, cuando el voltaje de entrada sea negativo, se producirá un voltaje con magnitud igual al voltaje de suministro, pero signo positivo. Nótese que el signo del voltaje original es invertido.

Figura 13.6: Voltaje resultante de la configuración inverting

En este punto, el amplificador únicamente crea un voltaje con cuya magnitud depende del voltaje suministrado y cuyo signo depende del signo del voltaje de entrada. Este tipo de dispositivos tiene una aplicación muy limitada y no es útil como amplificador de audio, pues la forma de onda producida por el amplificador no corresponde a la de la señal entrante, sino que siempre será una onda cuadrada. Es aquí donde entra en juego el concepto de retroalimentación negativa (negative feedback).

Negative Feedback

¿Cómo podemos controlar el voltaje de salida del amplificador, de tal modo que no alcance inmediatamente la misma magnitud del voltaje de suministro, lo cual resulta en una onda cuadrada, sino que mantenga la misma forma de onda de la señal original?

Para lograr este objetivo, se conecta el voltaje de salida del amplificador a la terminal que originalmente recibía el voltaje V-, de allí el nombre “retroalimentación negativa” (Figura 13.7). De esta manera, cuando el voltaje de entrada sea positivo, se generará un voltaje de salida negativo. Anteriormente, el amplificador saturaba inmediatamente, creando un voltaje de salida de igual magnitud que el voltaje de suministro. La retroalimentación negativa evitará que esto suceda. Parte de este voltaje negativo se devuelve a la entrada del amplificador, reduciendo el voltaje positivo de entrada y evitando que el amplificador sature. El resultado es una forma de onda igual a la del voltaje de entrada, pero con mayor amplitud, a diferencia de la forma de onda cuadrada producida por el amplificador sin retroalimentación negativa (Figure 13.8).

Figura 13.7 Negative Feedback

Figura 13.8: Onda original y onda amplificada

Evidentemente, la cantidad de voltaje que se devuelve a la entrada del amplificador tiene una gran influencia en el comportamiento del mismo. Para controlar la cantidad de retroalimentación negativa, se agregan dos resistencias: una a la entrada del amplificador y una en el camino de vuelta que conecta el voltaje de salida con el voltaje de entrada (Figura 13.9).

Figura 13.9: Amplificador inverting con negative feedback

Podemos calcular el voltaje de salida del amplificador multiplicando el voltaje de entrada por la relación entre la resistencia al flujo de la retroalimentación negativa (Rf) y la resistencia en la entrada del amplificador (Rin) (Figura 13.10). Nótese que se antepone un signo negativo a la multiplicación de los valores mencionados. Esto se refiere a que el voltaje de salida ha sido invertido respecto al voltaje de entrada.

Figura 13.10: Voltaje de salida del amplificador

Como podemos inferir al ver la fórmula, aumentar el valor de la resistencia en el flujo de la señal de feedback resultará en un mayor voltaje de salida. Asimismo, reducir la resistencia de feedback resultará en un menor voltaje de salida (Figura 14.6). Esto tiene sentido, pues al aumentar la resistencia de feedback, menos voltaje se enviará de vuelta a la entrada del amplificador, por lo que el amplificador se acercará más a su punto de saturación. Lo contrario sucede si se reduce dicha resistencia.

Si la resistencia de feedback es un potenciómetro, es decir una resistencia variable, girar la perilla nos permitirá ajustar la ganancia aplicada por el amplificador operacional.

La ganancia A del amplificador equivale al voltaje de salida dividido entre el voltaje de entrada, o bien la relación entre las resistencias, anteponiéndole un signo negativo (Figura 13.11).

Figura 13.11: Ganancia