¿Por qué mi filtro Sallen-Key de paso alto de segundo orden devuelve una onda cuadrada? (Pregunta para principiantes)

Question

Como parte de mi curso de Electrónica 101 en la universidad, se me indicó que probara un filtro de paso alto de 2º orden de Sallen&Key.

Después de diseñar el circuito, utilizando una calculadora online (no puedo enlazar porque me falta reputación), he confirmado que el circuito tiene las siguientes características (aquí también aparecen los valores de las diferentes resistencias y condensadores que he elegido):

A este circuito, alimentaré una señal sinusoidal de 2,5V de amplitud a varias frecuencias, para examinar la respuesta del filtro pasa alto. Polarizaré el amplificador operacional utilizando tensiones de +15V y -15V.

Para probarlo, me he descargado un simulador de circuitos electrónicos llamado LTSpice IV, aunque he podido replicar el mismo resultado en otro software.

Así es como se ve mi circuito cuando se replica en el software, además de la salida defectuosa de abajo, donde la línea verde es la señal de entrada (sinusoidal de 2,5V de amplitud y 200Hz de frecuencia), y la línea azul es la señal de salida. Como se puede ver, la señal de salida es una onda cuadrada que aproximadamente va alrededor de los valores de polarización del amplificador operacional.

Obtengo más o menos la misma señal de salida para todas las frecuencias de entrada. Por lo que sé, el circuito está correctamente configurado. He probado a cambiar los modelos de las distintas resistencias/condensadores/amplificadores de funcionamiento, y no parece cambiar el resultado final.

Hasta ahora, lo más prometedor es que si quito las resistencias R3 y R4 y conecto la salida directamente al - entrada del amplificador operacional, el circuito comienza a funcionar. Esto hace que el circuito se convierta en un filtro paso alto Sallen&Key sin ganancia. Sin embargo, todavía tengo curiosidad por saber por qué la versión con ganancia no funciona.

Aquí está el contenido del archivo .ASC que se genera al guardar el circuito en LTspice IV:

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 96 -48 48 -48
WIRE 240 -48 176 -48
WIRE 288 -48 240 -48
WIRE 464 -48 368 -48
WIRE 352 144 352 96
WIRE 240 160 240 -48
WIRE 320 160 240 160
WIRE 464 176 464 -48
WIRE 464 176 384 176
WIRE 512 176 464 176
WIRE -32 192 -144 192
WIRE -16 192 -32 192
WIRE 64 192 32 192
WIRE 128 192 64 192
WIRE 144 192 128 192
WIRE 224 192 192 192
WIRE 320 192 224 192
WIRE 224 224 224 192
WIRE 64 256 64 192
WIRE 352 256 352 208
WIRE 64 432 64 336
WIRE 464 432 464 176
WIRE 464 432 64 432
FLAG 224 304 0
FLAG -224 192 0
FLAG 48 -48 0
FLAG 352 16 0
FLAG 352 336 0
SYMBOL voltage -128 192 R90
WINDOW 0 -32 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName Vin
SYMATTR Value SINE(0 2.5 200)
SYMBOL res 240 320 R180
WINDOW 0 36 76 Left 2
WINDOW 3 36 40 Left 2
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 31160
SYMBOL cap 192 176 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 0.00000001
SYMBOL Opamps\\LT1012 352 112 R0
SYMATTR InstName U1
SYMBOL res 192 -64 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName Ra
SYMATTR Value 9880
SYMBOL res 384 -64 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName Rb
SYMATTR Value 16240
SYMBOL voltage 352 112 R180
WINDOW 0 24 96 Left 2
WINDOW 3 24 16 Left 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName Vcc+
SYMATTR Value 15
SYMBOL voltage 352 240 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName Vcc-
SYMATTR Value -15
SYMBOL res 80 352 R180
WINDOW 0 36 76 Left 2
WINDOW 3 36 40 Left 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 9880
SYMBOL cap 32 176 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 0.00000001
TEXT -578 560 Left 2 !.tran 100ms

Espero que alguien pueda ayudarme en esto. Sé que probablemente es algo muy simple, pero he pasado horas revisando y volviendo a revisar la configuración, y no puedo encontrar ningún recurso que pueda entender que me diga por qué mi filtro de paso alto no está funcionando. ¡Gracias!

Answer 1

Por favor, recuerde que al utilizar sim.okawa-denshi.jp depende de usted el saber crear correctamente la topología en cuestión. No es aconsejable crear una topología Sallen-Key con una ganancia superior a 2 porque tiende a oscilar. De hecho, en la propia página se indica (después de teclear tus números) que oscilará a una frecuencia de 401,949Hz. Si necesitas más ganancia entonces crea otra etapa que se centre en eso.

Edición: Aún mejor, me he dado cuenta de que tu factor Q y tu factor de amortiguación son ambos negativos. Eso es una indicación segura de que tendrás un comportamiento oscilatorio.

Como sugerencia, por favor utilice el cálculo que pide fc, ganancia, y proporcione el factor Q o la relación de amortiguación. Esto le proporcionará una configuración más estable (los amplificadores operacionales reales a menudo requieren componentes adicionales para la estabilidad).