Calculadora de Ganancia Op Amp

Calcula la ganancia de voltaje, voltaje de salida y ganancia en dB para circuitos de amplificador operacional en configuraciones inversoras y no inversoras.

Diseña y analiza circuitos de amplificador operacional calculando la ganancia de voltaje, voltaje de salida y ganancia en decibelios basado en las resistencias de retroalimentación y entrada.

Ejemplos

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Amplificador Inversor (Ganancia = -10)

inverting

Amplificador inversor estándar con ganancia de voltaje de 10x e inversión de fase.

Rf: 10000 Ω

Rin: 1000 Ω

Vin: 1 V

Amplificador No Inversor (Ganancia = 11)

non-inverting

Amplificador no inversor con ganancia de voltaje de 11x manteniendo la fase de entrada.

Rf: 10000 Ω

Rin: 1000 Ω

Vin: 0.5 V

Buffer de Ganancia Unitaria

unity-gain

Configuración de seguidor de voltaje con ganancia de 1 para adaptación de impedancia.

Rf: 0 Ω

Rin: 1000 Ω

Vin: 2 V

Amplificador Inversor de Alta Ganancia

high-gain

Amplificador inversor de alta ganancia para aplicaciones de amplificación de señales.

Rf: 50000 Ω

Rin: 1000 Ω

Vin: 0.1 V

Otros Títulos
Comprensión de la Calculadora de Ganancia Op Amp: Una Guía Completa
Domina el diseño y análisis de circuitos de amplificador operacional. Aprende cómo calcular la ganancia de voltaje, entender las configuraciones de retroalimentación y diseñar circuitos de amplificador efectivos para diversas aplicaciones.

¿Qué es la Calculadora de Ganancia Op Amp?

  • Conceptos Básicos y Definiciones
  • Por Qué Importa la Ganancia Op Amp
  • Tipos de Configuraciones de Amplificador
La Calculadora de Ganancia Op Amp es una herramienta esencial de ingeniería electrónica que simplifica los cálculos complejos involucrados en el diseño y análisis de circuitos de amplificador operacional. Proporciona cálculos precisos para ganancia de voltaje, voltaje de salida y ganancia en decibelios para configuraciones de amplificador tanto inversoras como no inversoras. Esta calculadora transforma parámetros básicos del circuito—resistencia de retroalimentación, resistencia de entrada y voltaje de entrada—en métricas de rendimiento completas que permiten a los ingenieros diseñar, verificar y optimizar circuitos de amplificador con confianza.
El Papel Fundamental de los Amplificadores Operacionales
Los amplificadores operacionales (op-amps) son los bloques de construcción de la electrónica moderna, sirviendo como componentes versátiles en procesamiento de señales, sistemas de audio, instrumentación y circuitos de control. Su capacidad para proporcionar alta ganancia, amplificación precisa y varias configuraciones funcionales los hace indispensables en el diseño electrónico. Entender cómo calcular y predecir su comportamiento es crucial para cualquiera que trabaje en electrónica, desde estudiantes aprendiendo teoría de circuitos hasta ingenieros profesionales diseñando sistemas complejos.
Configuraciones Clave de Amplificador y Sus Aplicaciones
La calculadora maneja dos configuraciones principales de op-amp: amplificadores inversores y no inversores. Los amplificadores inversores producen una salida que está 180 grados fuera de fase con la entrada, haciéndolos ideales para inversión de señales, amplificadores sumadores y aplicaciones que requieren inversión de fase. Los amplificadores no inversores mantienen la fase de entrada mientras proporcionan amplificación, haciéndolos perfectos para seguidores de voltaje, circuitos buffer y aplicaciones que requieren aislamiento de señales. Cada configuración tiene ventajas específicas y casos de uso en el diseño electrónico.
Fundamento Matemático y Precisión
La calculadora emplea fórmulas bien establecidas: Para amplificadores inversores, Av = -Rf/Rin; para amplificadores no inversores, Av = 1 + Rf/Rin. El voltaje de salida se calcula como Vout = Av × Vin, y la ganancia en decibelios es G(dB) = 20 × log10(|Av|). Estas fórmulas asumen características ideales de op-amp (ganancia infinita, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero) y proporcionan excelentes aproximaciones para la mayoría de aplicaciones prácticas. La herramienta asegura precisión matemática mientras considera consideraciones de circuitos del mundo real.

Conceptos Clave Explicados:

  • Ganancia de Voltaje (Av): La relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada, indicando el factor de amplificación
  • Resistencia de Retroalimentación (Rf): Resistor que conecta la salida a la entrada inversora, controlando la magnitud de la ganancia
  • Resistencia de Entrada (Rin): Resistor en el terminal de entrada, trabajando con Rf para determinar la ganancia
  • Ganancia en dB: Representación logarítmica de la ganancia, útil para análisis de respuesta en frecuencia

Guía Paso a Paso para Usar la Calculadora Op Amp

  • Metodología de Análisis de Circuitos
  • Selección de Parámetros de Entrada
  • Interpretación y Validación de Resultados
Maximizar la efectividad de la Calculadora de Ganancia Op Amp requiere análisis sistemático de circuitos, selección cuidadosa de parámetros e interpretación reflexiva de resultados. Sigue esta metodología completa para asegurar que tus cálculos de amplificador proporcionen información precisa y accionable para el diseño y solución de problemas de circuitos.
1. Determina Tu Configuración de Amplificador
Primero, identifica si estás trabajando con una configuración de amplificador inversor o no inversor. Los amplificadores inversores tienen la señal de entrada aplicada al terminal inversor (-) a través de Rin, con Rf proporcionando retroalimentación negativa. Los amplificadores no inversores aplican la entrada al terminal no inversor (+), con Rf y Rin formando un divisor de voltaje en la ruta de retroalimentación. Tu elección afecta tanto la fórmula de ganancia como la relación de fase entre las señales de entrada y salida.
2. Selecciona Valores de Resistencia Apropiados
Elige valores de Rf y Rin que proporcionen tu ganancia deseada mientras consideras restricciones prácticas. Para amplificadores inversores, la magnitud de ganancia es igual a Rf/Rin; para amplificadores no inversores, la ganancia es igual a 1 + Rf/Rin. Considera la disipación de potencia (P = V²/R), disponibilidad de componentes y estabilidad del circuito al seleccionar valores. La práctica común usa valores entre 1kΩ y 100kΩ para la mayoría de aplicaciones, con valores más altos reduciendo el consumo de potencia pero potencialmente aumentando la sensibilidad al ruido.
3. Consideraciones de Voltaje de Entrada
Ingresa el voltaje de entrada que representa la amplitud de tu señal. Considera los límites de voltaje de suministro del op-amp—la salida no puede exceder los rieles de la fuente de alimentación. Por ejemplo, con suministros de ±15V, la salida típicamente está limitada a ±13V. También considera el rango de voltaje de entrada del op-amp y la relación de rechazo en modo común (CMRR) para rendimiento óptimo. La calculadora mostrará si tu salida esperada excede límites prácticos.
4. Analiza Resultados y Valida el Diseño
Revisa la ganancia de voltaje calculada, voltaje de salida y ganancia en dB. Verifica que el voltaje de salida esté dentro del rango de operación lineal del op-amp. Verifica que la ganancia cumpla con los requisitos de tu aplicación. Para aplicaciones de audio, las ganancias a menudo se expresan en dB; para instrumentación, la ganancia de voltaje absoluta puede ser más importante. Usa los resultados para iterar en tu diseño, ajustando valores de resistencia o niveles de entrada según sea necesario.

Configuraciones de Ganancia Comunes:

  • Ganancia Unitaria (Av = 1): Rf = 0, Rin = cualquier valor para buffer no inversor
  • Amplificación 10x: Rf = 10kΩ, Rin = 1kΩ para inversor; Rf = 9kΩ, Rin = 1kΩ para no inversor
  • Amplificación 100x: Rf = 100kΩ, Rin = 1kΩ para inversor; Rf = 99kΩ, Rin = 1kΩ para no inversor
  • Atenuación 0.1x: Rf = 1kΩ, Rin = 10kΩ para configuración inversora

Aplicaciones del Mundo Real y Diseño de Circuitos

  • Audio y Procesamiento de Señales
  • Instrumentación y Medición
  • Sistemas de Control y Automatización
La Calculadora de Ganancia Op Amp sirve como base para diseñar amplificadores en diversas aplicaciones, desde electrónica de consumo hasta sistemas de control industrial. Entender cómo calcular y optimizar la ganancia permite a los ingenieros crear circuitos que cumplan con requisitos específicos de rendimiento y restricciones operacionales.
Aplicaciones de Audio y Procesamiento de Señales
Los amplificadores de audio usan op-amps para etapas de preamplificación, ecualización y amplificación de potencia. Los preamplificadores de micrófono típicamente requieren ganancias de 20-60dB (ganancia de voltaje 10-1000x) para aumentar señales débiles al nivel de línea. Los circuitos ecualizadores usan múltiples etapas de op-amp con diferentes ganancias para dar forma a la respuesta en frecuencia. La calculadora ayuda a los diseñadores a seleccionar valores de ganancia apropiados para lograr niveles de señal deseados mientras mantienen la integridad de la señal y minimizan la distorsión. Considera los requisitos de ancho de banda—ganancias más altas a menudo reducen el ancho de banda debido a la limitación del producto ganancia-ancho de banda.
Sistemas de Instrumentación y Medición
Las aplicaciones de medición de precisión requieren ganancias cuidadosamente calculadas para amplificar señales de sensores a niveles apropiados para conversión analógica-digital. Los amplificadores de galga extensiométrica podrían necesitar ganancias de 100-1000x para convertir señales de milivoltios a niveles de voltios. Los amplificadores de termopar requieren ganancias específicas basadas en la sensibilidad de temperatura. La calculadora permite selección precisa de ganancia para maximizar la resolución de medición mientras evita la saturación. Considera el voltaje de offset de entrada y la deriva al diseñar amplificadores de instrumentación de alta ganancia.
Sistemas de Control y Automatización Industrial
Los sistemas de control usan op-amps para acondicionamiento de señales, amplificación de error y circuitos de accionamiento de actuadores. Los controladores PID requieren ganancias específicas para términos proporcionales, integrales y derivativos. La calculadora ayuda a determinar ganancias apropiadas para cada elemento de control para lograr la respuesta del sistema deseada. Los circuitos de accionamiento de motores pueden necesitar ganancias para convertir señales de control a niveles de accionamiento apropiados. Considera los requisitos de estabilidad—ganancia excesiva puede causar oscilaciones en sistemas de control con retroalimentación.

Requisitos de Ganancia Específicos por Aplicación:

  • Preamplificador de Micrófono: 40-60dB de ganancia (ganancia de voltaje 100-1000x) para señales de audio débiles
  • Amplificador de Galga Extensiométrica: 100-500x de ganancia para salidas de sensores de milivoltios
  • Amplificador de Termopar: 50-200x de ganancia dependiendo del tipo de termopar y rango de temperatura
  • Amplificador de Error de Sistema de Control: 10-50x de ganancia para aplicaciones de control proporcional

Conceptos Erróneos Comunes y Consideraciones de Diseño

  • Comportamiento Ideal vs Real del Op-Amp
  • Estabilidad y Respuesta en Frecuencia
  • Consideraciones de Fuente de Alimentación y Térmicas
El diseño efectivo de circuitos de op-amp requiere entender las limitaciones de dispositivos reales y trampas comunes de diseño que pueden afectar el rendimiento y confiabilidad del circuito.
Mito: Los Op-Amps Proporcionan Ganancia Infinita y Rendimiento Perfecto
Aunque los op-amps tienen ganancia de lazo abierto muy alta (típicamente 100,000-1,000,000), los dispositivos reales tienen limitaciones que afectan el rendimiento del circuito. El voltaje de offset de entrada (típicamente 1-10mV) puede causar errores de salida en circuitos de alta ganancia. La corriente de polarización de entrada (típicamente 1-100nA) fluye a través de resistores de entrada, creando caídas de voltaje que afectan la precisión. El producto ganancia-ancho de banda limita la ganancia máxima a altas frecuencias. La calculadora asume comportamiento ideal pero entender las limitaciones reales ayuda en el diseño práctico de circuitos y solución de problemas.
Consideraciones de Estabilidad y Respuesta en Frecuencia
Los circuitos de alta ganancia pueden volverse inestables debido a cambios de fase en la red de retroalimentación. El producto ganancia-ancho de banda (GBW) de un op-amp limita la ganancia máxima a cualquier frecuencia: Ganancia × Ancho de Banda ≤ GBW. Por ejemplo, un op-amp con 1MHz GBW puede proporcionar ganancia de 100x solo hasta 10kHz. Las cargas capacitivas pueden causar oscilaciones; agregar un pequeño resistor en serie con la salida puede mejorar la estabilidad. Considera usar técnicas de compensación como compensación de polo dominante para aplicaciones de alta ganancia.
Gestión de Fuente de Alimentación y Térmica
Los op-amps requieren diseño adecuado de fuente de alimentación con capacitores de desacoplo apropiados para prevenir oscilaciones y ruido. El voltaje de suministro limita el swing máximo de salida—típicamente 2V menos que los rieles de suministro. La disipación de potencia en resistores de retroalimentación puede ser significativa en aplicaciones de alta corriente: P = V²/R. Las consideraciones térmicas se vuelven importantes en diseños de alta potencia o alta densidad. Considera usar op-amps de baja potencia para aplicaciones operadas por batería y op-amps de alta potencia para accionar cargas pesadas.

Mejores Prácticas de Diseño:

  • Usa capacitores de bypass (0.1μF cerámico) cerca de los pines de alimentación del op-amp para prevenir oscilaciones
  • Mantén valores de resistor de retroalimentación entre 1kΩ y 100kΩ para rendimiento óptimo
  • Considera el voltaje de offset de entrada en circuitos de alta ganancia; usa op-amps auto-zero o chopper-stabilized si es necesario
  • Empareja valores de resistor de entrada en amplificadores diferenciales para maximizar el rechazo en modo común

Derivación Matemática y Análisis Avanzado

  • Derivación de Fórmula de Ganancia
  • Análisis de Respuesta en Frecuencia
  • Efectos No Ideales y Compensación
Entender los fundamentos matemáticos de los cálculos de ganancia de op-amp permite análisis más profundo de circuitos y optimización para aplicaciones específicas y requisitos de rendimiento.
Derivación de la Fórmula de Ganancia del Amplificador Inversor
Para un amplificador inversor, el principio de tierra virtual establece que el voltaje de entrada inversora es igual al voltaje de entrada no inversora (tierra). Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff en la entrada inversora: (Vin - 0)/Rin = (0 - Vout)/Rf. Resolviendo para Vout: Vout = -(Rf/Rin) × Vin. El signo negativo indica inversión de fase. Esta derivación asume ganancia de lazo abierto infinita, impedancia de entrada infinita e impedancia de salida cero—aproximaciones razonables para la mayoría de aplicaciones prácticas con op-amps modernos.
Derivación de Ganancia del Amplificador No Inversor
Para un amplificador no inversor, el voltaje de entrada aparece en el terminal no inversor. La red de retroalimentación (Rf y Rin) forma un divisor de voltaje, así que el voltaje en la entrada inversora es Vout × Rin/(Rin + Rf). Como el op-amp impulsa la salida para hacer que la entrada inversora sea igual a la entrada no inversora: Vin = Vout × Rin/(Rin + Rf). Resolviendo para Vout: Vout = Vin × (1 + Rf/Rin). Esto da la fórmula familiar de ganancia Av = 1 + Rf/Rin, siempre positiva y mayor o igual a 1.
Respuesta en Frecuencia y Limitaciones de Ancho de Banda
Los op-amps reales tienen ancho de banda limitado debido a capacitores de compensación internos. El producto ganancia-ancho de banda (GBW) es constante: Av × f = GBW. Por ejemplo, con 1MHz GBW, una ganancia de 100 limita el ancho de banda a 10kHz. La calculadora proporciona valores de ganancia DC; para señales AC, considera la ganancia dependiente de frecuencia: Av(f) = Av(0) / √(1 + (f/fc)²), donde fc es la frecuencia de corte. Las aplicaciones de alta frecuencia pueden requerir op-amps especializados de alta velocidad con productos GBW más altos.

Técnicas de Análisis Avanzado:

  • Usa diagramas de Bode para analizar respuesta en frecuencia y márgenes de estabilidad
  • Calcula impedancia de entrada y salida para requisitos de adaptación de impedancia
  • Analiza rendimiento de ruido usando especificaciones de ruido del op-amp y ruido térmico del resistor
  • Considera limitaciones de slew rate para señales de alta frecuencia y gran amplitud