Enunciado

Determine a equação diferencial para o circuito com AOP da Figura 8.110 . Se v 1 0 + = 2   V e v 2 0 + = 0   V , determine v 0 para t > 0 . Seja R = 100   k Ω e C = 1   μ F .

Passo 1

Galera, vamos assumir aqui que os nossos amp-ops são ideais, beleza? Assim, podemos assumir o seguinte:

i 1 - = i 1 + = 0 … 1

v 1 - = v 1 + … ( 2 )

Para o segundo amplificador:

i 2 - = i 2 + = 0 … 3

v 2 - = v 2 + … ( 4 )

Onde:

  • i + : é a corrente no terminal não-inversor;
  • i - : é a corrente no terminal inversor;
  • v + : é a tensão no nó não-inversor;
  • v - : é a tensão no nó inversor.

Passo 2

Da figura, podemos concluir que

v 0 = - v 2 … 5

Usando a lei dos nós no nó não inversor do primeiro amplificador operacional, temos:

v 0 R + C d v 1 d t = 0 … 6

v 0 = - R C d v 1 d t … ( 7 )

Usando a lei dos nós no nós não inverso do segundo amplificador, temos:

v 1 R - C d v 2 d t = 0 … 8

Derivando a equação ( 7 ) em relação a t , temos:

1 R d v 1 d t - C d 2 v 2 d t 2 = 0 … 9

Substituindo ( 7 ) e ( 5 ) em ( 9 ) :

- 1 R v 0 R C + C d 2 v 0 d t 2 = 0

Dividindo a equação por C e reorganizando seus termos:

d 2 v 0 d t 2 - v 0 R C 2 = 0 … 10

d 2 v 0 d t 2 - 100 v 0 = 0

Passo 3

A equação característica pode ser escrita como:

s 2 - 100 = 0

Com as raízes sendo

s 1 = 10 ; s 2 = - 10 … ( 11 )

O sistema é amortecido supercrítico e v 0 ( t ) é dado por:

v 0 t = A 1 e 10 t + A 2 e - 10 t … 12

Sabendo que v 2 0 + = 0 ,

v 2 = - v 0

0 = A 1 + A 2 … 13

Da equação ( 8 ) :

v 1 = R C d v 2 d t

v 2 = - v 0

v 1 = - R C d v 0 d t … ( 14 )

Passo 4

Derivando a equação ( 12 ) :

d v 0 d t = 10 A 1 e 10 t - 10 A 2 e - 10 t

Substituindo na equação ( 14 )

v 1 t = - R C 10 A 1 e 10 t - 10 A 2 e - 10 t

Substituindo os valores de R e C na equação, temos:

v 1 t = - 0,1 10 A 1 e 10 t - 10 A 2 e - 10 t

v 1 t = - A 1 e 10 t + A 2 e - 10 t

Sabemos que v 1 0 + = 2

2 = - A 1 + A 2 … 15

Das equações ( 13 ) e ( 14 ) , podemos concluir que

A 1 = - 1   e   A 2 = 1

Logo,

v 0 t = e - 10 t - e 10 t

Resposta

A tensão v 0 ( t ) é igual a:

v 0 t = e - 10 t - e 10 t

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