mario, me parece que estás mezclando varias cosas juntas.
Primero, el AO tiene que tener como mínimo alimentación de 5V.
Segundo, tenés que averiguar por qué el motor consume mucha corriente al alimentarlo con 3V. Te recomiendo hacerle pruebas de tensión y corriente al motor en forma separada, con una fuente de tensión y midiendo la corriente.
Tercero, no podés conectar el motor directamente al PWM. En el mejor de los casos el motor ni se moverá, en el peor se quemará la salida del micro por exigirle tanta corriente.
Por último, una vez que sepas que tensión aplicarle al motor, podrás adaptar la ganancia del amplificador para que con una entrada de 3V, te entregue exactamente la salida que necesitás. Con respecto al 555, habría que ver que tensión entrega el 555 con respecto al PWM, para ver si entendés por qué en un caso funciona y en el otro no. Idealmente, tenés que tener un osciloscopio a mano, para ver si no hay "cosas raras" en la forma de onda, que expliquen las diferencias.
Tené siempre presente que si hay diferencias, hay una causa. No siempre es fácil encontrarla, pero en nuestro campo, nada ocurre sin una causa. Y buscar las causas de las diferencias que vos ves es la manera de aprender. Para eso (es fácil decirlo, no siempre hacerlo) tenés que ser muy metódico, anotar cada experimento que hacés, y cambiar el mínimo de variables en cada prueba. Idealmente, para cada experimento que hacés tenés que cambiar sólo una variable.