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FAMLIAS LGICAS

Sala: U 205

Perodo: Manh

Docente

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Anselmo Gomes

UNIVERSIDADE METODISTA DE ANGOLA

ENGENHARIA MECATRNICA

ELECTRNICA 2

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INTEGRANTES

Alexandre Costa 15597

Bunga Zola Victor 15716

Chilton da Silva Rufino - 16868

Marley Cunha 11676

Luanda, 22 de Maro de 2015

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ndice

INTRODUO ................................................................................................. 3

AS FAMLIAS LGICAS ................................................................................. 4

FAMLIA RTL (Resistor-Transstor Logic) ...................................................... 5

FAMLIA TTL ................................................................................................ 6

ALGUMAS PARTICULARIDADE DA FAMLIA TTL ........................................... 8

Correntes de entrada ........................................................................ 8

Correntes de sada ............................................................................ 8

Capacidade de Sada (Fan-Out) ......................................................... 8

Margem de Rudo ............................................................................. 9

Velocidade ....................................................................................... 10

Formas de ligao Colector aberto e Totem-Pole........................ 10

Tri-State ........................................................................................... 11

FAMLIA CMOS .......................................................................................... 13

NVEIS LGICOS CMOS .............................................................................. 14

FAN-IN E FAN-OUT .................................................................................... 15

COMPATIBILIDADE .................................................................................... 16

NOMENCLATURA NAS FAMLIAS LGICAS ................................................ 16

OUTROS ASPECTOS COMPARATIVOS ........................................................ 17

ANEXOS ..................................................................................................... 17

CONCLUSO ................................................................................................. 18

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 19

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INTRODUO

Com a evoluo da tecnologia e a inveno do transstor, procurou-se padronizar os sinais elctricos correspondentes aos nveis lgicos. Esta padronizao favoreceu o surgimento das famlias de componentes digitais com caractersticas bastante distintas. Os circuitos electrnicos modernos no usam chaves e lampadas para representar nveis lgicos na prtica, mas sim, dispositivos muito rpidos que podem estabelecer os nveis lgicos nas entradas das funes com velocidades incrveis e isso lhes permite realizar milhes de operaes muito complexas a cada segundo. As famlias lgicas so conjuntos de portas baseadas numa determinada tecnologia de transstores ou ainda pode se definir como um conjunto de Circuitos Integrados mutuamente compatveis, que so alimentados com a mesma tenso, e compreendem os mesmos nveis lgicos. Como resultado, as sadas das portas podem ser ligadas directamente s entradas de outras portas da mesma famlia sem qualquer problema de adaptao ou a comunicao entre eles. As distintas portas lgicas exibem diferentes comportamentos elctricos entre os valores de entrada, condies ambientais existentes, e condies de sada. A fabricao de circuitos digitais est dirigida em diminuir o espao dos circuitos, a velocidade de resposta, desgaste dos componentes, tolerncias e a diminuo de potncia consumida, entre outros. As famlias Lgicas diferem-se basicamente pelo componente principal utilizado por cada uma em seus circuitos. O nosso objectivo neste trabalho reside em esclarerer bsicamente o suficiente do conhecimento adquirido, para se ter uma noo de que se trata, uma vez que este tema possue um vasto contudo de informaes e detalhes, que seriam quase impossveis de serem todas mencionadas no mesmo. O prximo passo, est na responsabilidade de mais informaes no interior deste trabalho.

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AS FAMLIAS LGICAS

Existem inmeras famlias que possuem caractersticas nicas, podemos citar como algumas famlias existentes:

RTL - Resistor Transistor Logic - Lgica resistor-transstor (obsoleta);

DTL - Dode Transistor Logic - Lgica diodo-transstor (obsoleta);

TTL - Transistor Transistor Logic - Lgica transstor-transstor (mais popular);

HTL High Threshold Logic Lgica de transstor com alto limiar.

ECL - Emitter Coupled Logic - Lgica emissor-acoplado;

MOS - Metal Oxide Semiconductor:

CMOS - Complemantary MOS - Lgica MOSFETs Complementares;

PMOS - Lgica MOSFETs de canal-p (obsoleta);

NMOS - Lgica MOSFETs de canal-n Entretanto, aqui ns vamos analisar o funcionamento de trs famlias em particular: Famlia - RTL, TTL e CMOS principalmente por serem das tecnologias mais usadas actualmente na fabricao dos circuitos integrados SSI (baixa escala de integrao) e MSI (mdia escala de integrao). A famlia RTL s por uma questo didctica, pois j uma famlia obsoleta e as outras duas por serem as mais utilizadas actualmente. Caractersticas das famlias Lgicas:

Esquema e comportamento do circuito da sua porta bsica.

Tenso e correntes.

Velocidade de trabalho.

Consumo.

Faixa de temperatura.

Conectividade (fan-in, fan-in e flexibilidade de entradas e sadas).

Custo

Outra caractersticas de particular importncia, de resposta ao "rudo eletromagntico".

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FAMLIA RTL (Resistor-Transstor Logic)

O transstor opera em trs modos diferentes; o primeiro o funcionamento de corte, que consiste na transformao elctrica do transstor numa chave aberta, impedindo a circulao de corrente atravs de si. O segundo consiste no funcionamento do transstor como amplificador, que consiste na amplificao de um sinal injectado na entrada. O terceiro o modo do transstor no estado de saturao, onde o transstor funciona elctricamente como uma chave fechada, fazendo com que circule corrente por ele. Se considerarmos somente a primeira e a terceira forma de funcionamento, verificamos que o transstor pode facilmente substituir uma chave, tornando possvel a representao de um circuito lgico simples. Assim, na simulao dos circuitos que usamos chaves, possivel utilizarmos transstores com uma serie de vantagens. Uma vantagem importante que o transstor podera operar com a tenso ou nvel lgico produzido por uma outra funo e no necessariamente por uma pessoa que accione uma chave. Assim, as funes lgicas implementadas com transstores tem a vantagem de poderem ser interligadas umas nas outras, pois o sinal que aparece na sada de cada uma pode ser usado como entrada para outra. Abaixo podemos ver um exemplo simples da utilizao de um transstor para obter uma porta inversora. Figura 1. Representao de uma inversora (NOT) na famlia RTL Aplicando o nvel um (5V) na base do transstor ele conduz at ao ponto de saturar, fazendo a tenso no seu colector cair a zero. Por outro lado, na ausncia de tenso na sua base, que corresponde ao nvel zero de entrada, o transstor se mantm cortado e a tenso no seu colector se mantm alta,

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o que corresponde ao nvel um. Tomando este entendimento como base, podemos conseguir outras portas lgicas simples atravs da combinao de transstores e resistores. Figura 2 e 3. Representao de uma porta NO-E (NAND) e porta NO-OU (NOR) na famlia RTL

Isso significa que a elaborao de um circuito lgico digital capaz de realizar operaes complexas usando transstores algo que pode ser conseguido com relativa facilidade.

FAMLIA TTL

A famlia TTL foi primeiramente desenvolvida pela Texas Instruments, contudo, devido a enorme utilidade desta famlia, muitos fabricantes de semi-condutores tambm produzem componentes compatveis ela. Esta famlia facilmente reconhecida durante o seu uso nos projectos principalmente pelo facto de ter duas sries que comeam pelos nmeros 54 para o uso militar e 74 para o uso comercial. Sendo assim, a associao

de qualquer componente que comece pelo nmero 74 a famlia TTL fica

evidente. A caracterstica mais importante desta famlia est no facto de que ela trabalha com uma tenso de alimentao de 5 V. Assim, para os componentes desta famlia, o nvel lgico zero sempre a ausncia de tenso ou 0 V, enquanto que o nvel lgico um sempre uma tenso de +5 V. Para os nveis lgicos serem reconhecidos, eles devem estar dentro de faixas bem definidas, pois na famlia TTL h uma faixa chamada faixa de rudo.

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Uma porta TTL reconhecer como nvel zero as tenses que estiverem entre 0 e 0,8 V e como nvel um as que estiverem numa outra faixa, entre 2,4 e 5 V. Entre essas duas faixas existe uma regio indefinida que deve ser evitada. Nos tempos actuais, existem centenas de circuitos integrados TTL disponveis para a elaborao de projectos eletrnicos. A maioria usa involucros DIL de 14 e 16 pinos. A medida que novas tecnologias foram sendo desenvolvidas permitindo a integrao de uma grande quantidade de componentes, surgiu a possibilidade de se colocar num circuito integrado no apenas algumas

portas e funes adicionais dos outros estudos como flip-flops,

decodificadores e outros mas, tambm a de interliga-los de diversas formas e utiliza-los em aplicaes especficas. Nos circuitos digitais temos as seguintes classificaes para os grus de integrao: SSI - Small Scale Integration ou Integrao em Pequena Escala: Que corresponde a serie normal dos primeiros TTL que contm de 1 a 12 portas lgicas num circuito integrado. MSI - Medium Scale Integration ou Integrao de Media Escala: Em que temos num nico circuito integrado de 13 a 99 portas ou funes lgicas. LSI - Large Scale Integration ou Integrao em Grande Escala: Que corresponde a circuitos integrados contendo de 100 a 999 portas ou funes lgicas. VLSI - Very Large Scale Integration ou Integrao em Escala Muito Grande: Que corresponde aos circuitos integrados com mais de 1000 portas ou funes lgicas.

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ALGUMAS PARTICULARIDADE DA FAMLIA TTL

Correntes de entrada:

IIH (mnimo) Corrente de entrada correspondente ao nvel lgico alto. Valor

da corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nvel lgico alto aplicado em tal entrada. Note que os valores de IIL so negativos, pois se convencionou que a corrente que entra na porta tem sinal positivo;

Estando a entrada em 0, a corrente sai da porta, portanto o sinal -denota

o sentido contrario.

IIL (maximo) Corrente de entrada correspondente ao nvel lgico baixo.

Valor da corrente que circula na entrada de um circuito digital, quando um nvel lgico baixo aplicado em tal entrada.

Correntes de sada:

IOH (mnimo) Corrente de sada correspondente ao nvel lgico alto. Valor

da corrente que circula na sada de um circuito digital, quando um nvel lgico alto gerado em tal circuito, respeitadas as limitaes para carregamento da sada.

IOL (maximo) Corrente de sada correspondente ao nvel lgico baixo. Valor

da corrente que circula na sada de um circuito digital, quando um nvel lgico baixo gerado em tal circuito, respeitadas as limitaes para carregamento da sada. Novamente deve ser observado que o sentido positivo o de sada, portanto IOH dado em valores positivos e IOL dado em valores negativos (corrente entra na porta).

Capacidade de Sada (Fan-Out):

A fonte de um sinal digital aplicado a entrada de uma porta deve ser capaz de estabelecer naquela entrada uma tenso correspondente a um ou outro nvel lgico (zero ou um). Em qualquer um dos nveis a fonte deve satisfazer os requisitos de corrente da porta accionada, ou seja, fornecer o nvel mnimo de corrente e tenso. Como a sada de uma porta lgica usada como fonte para a entrada de outra porta, necessario conhecer a capacidade de accionamento de uma porta, isto , precisamos saber quantas entradas de portas a serem accionadas podemos ligar a sada de uma porta accionadora. Este parmetro fornecido nos manuais dos componentes, geralmente com o nome de FAN-OUT.

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Margem de Rudo:

Para a serie 54/74, o fabricante garante que, mesmo que uma porta esteja carregada at sua capacidade mxima de sada, a tenso de sada baixa no sobe acima de 0,4 V e a tenso de sada de nvel lgico alto no desce abaixo de 2,4 V. O fabricante tambm garante que uma tenso igual ou menor que 0,8V sempre sera interpretada por uma porta que est sendo accionada como correspondendo a tenso baixa (nvel lgico zero) e que uma tenso de entrada maior que 2V sempre sera interpretada como tenso alta (nvel lgico um). As duas tenses de sada e as duas tenses de entrada so representadas pelos simbolos VOH, VOL, VIH e VIL e so definidas como: VOH: A tenso de sada mnima que uma porta fornece quando sua sada estiver no nvel alto. VOL: A tenso de sada mxima que uma porta fornece quando sua sada estiver no nvel baixo. VIH: A tenso mnima que pode ser aplicada entrada de uma porta reconhecida como nvel alto. VIL: A tenso mxima que pode ser aplicada entrada de uma porta reconhecida como nvel baixo. Para as series 54 ou 74, estas tenses so as especificadas abaixo. Quando a tenso de entrada VI estiver no intervalo de 0 a 0,8V ou no intervalo acima de 2,0 Volts, a sada VO constante e vale 2,4 ou 0,4 Volts, respectivamente. Para VI no intervalo de 0,8 a 2,0 Volts, a sada varia de seu nvel alto de 2,4V at seu nvel baixo de 0,4V. Figura 4. Nveis de ruido TTL para entrada e sada.

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Velocidade:

Os circuitos electrnicos possuem uma velocidade limitada de operao que depende de diversos factores. No caso dos circuitos TTL, temos ainda que considerar sua construo que pode apresentar indutncias e capacitncias parasitas que influem na sua velocidade de operao das suas portas lgicas.

Para os circuitos integrados TTL existe um atraso entre o instante em que o sinal passa do nvel zero para um na entrada e o instante em que o sinal na sada responde a este sinal. Da mesma forma, existe um atraso entre o instante em que o sinal de entrada passa do nvel um para o zero e o instante em que o sinal de sada passa do nvel zero para o um, no caso de um inversor. Observe que estes tempos so determinantes quando se trabalha com sistemas de alta velocidade.

Formas de ligao Colector aberto e Totem-Pole:

Os circuitos lgicos TTL que ns vimos at agora so denominados Totem-Pole, eles tm uma configurao que um ou outro transstor da porta TTL conduz a corrente, conforme o nvel estabelecido na sada seja zero ou um. Este tipo de circuito apresenta um inconveniente caso ns ligarmos duas portas em paralelo. Se uma das portas tiver sua sada indo ao nvel alto (1) simultaneamente que outra vai ao nvel baixo (0), um curto-circuito estabelecido na sada e isso pode causar a queima da porta. Quer dizer que os circuitos integrados TTL com esta configurao nunca podem ter suas sadas interligadas da forma indicada na figura. Figura 5. Efeito do nvel lgico baixo e alto num Totem Pole.

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Tri-State:

Esta uma configurao encontrada em alguns integrados TTL, principalmente usados em micro informtica, como os computadores. Quando duas (ou mais) portas estiverem suas sadas conectadas, deve ocorrer que se uma porta estiver enviando seus nveis lgicos, a outra porta deve estar numa situao em que na sua sada no tenhamos nem zero e nem um, ento ela deve ficar num estado de circuito desligado, circuito aberto ou terceiro estado.

Isso conseguido atravs de uma entrada de controle denominada

habilitao ou Enable sendo abreviada correntemente por EN. Assim,

quando EN estiver em zero, o transstor da porta lgica no conduz e nada acontece no circuito que funciona normalmente. No entanto, se EN for levada ao nvel um, o transstor satura, levando ao corte, ou seja, os dois passam a se comportar como circuitos abertos, independentemente dos sinais de entrada. Na sada teremos ento um estado de alta impedncia.

Figura 7. Configurao externa simplificada de uma porta inversora tri-stat.

As funes tri-stat so muito usadas nos circuitos de computadores

denominados barramentos de dados ou data bus, onde diversos circuitos

devem aplicar seus sinais ao mesmo ponto ou devem dividir a mesma linha de transferncia desses dados. O circuito que est em funcionamento deve estar habilitado e os que no esto funcionando, devem ser levados sempre ao terceiro estado.

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Figura 8. Ligao de duas portas lgicas ao mesmo barramento.

Em virtude da possibilidade de assumir um terceiro estado de alta impedncia; foi desenvolvido um tipo de porta muito util, chamada buffer tri-state. Em electrnica digital, um buffer um componente sem funo lgica, isto , apresenta na sada exactamente o mesmo sinal da entrada. Quando este buffer tri-stat, a entrada de controle EN comanda se o sinal na entrada deve ser apresentado na sada ou no.

Figura 9. Buffer Tri-stat e sua tabela de verdade

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FAMLIA CMOS

A tecnologia CMOS a mais utilizada actualmente na construo de circuitos integrados digitais, como as portas, at os circuitos como as memrias e os microprocessadores. A tenso nominal de alimentao dos circuitos CMOS so +5 V e +3,3 V.

A sigla CMOS significa Complementary Metal- Oxide Semiconductor se

referindo a utilizao de transstores de efeito de campo ou Field Effect Transstor (FET) no lugar dos transstores bipolares comuns (como nos circuitos TTL). Como em qualquer rea da electrnica, o uso da famlia CMOS, possui vantagens e desvantagens no uso de transstores de efeito de campo. Entretanto, os fabricantes desta famlia esto pouco a pouco eliminando essas diferenas entre as duas famlias com o desenvolvimento de tecnologias de fabricao, aumentando ainda a sua velocidade e reduzindo seu consumo. De uma forma geral, podemos dizer que existem aplicaes em que mais vantajoso usar um tipo, e aplicaes em que o outro tipo melhor. Os transstores de efeito de campo usados nos circuitos integrados CMOS ou

MOSFETs tem sua composio elementar vista a seguir onde tambm

aparece seu simbolo. Vemos que o ponto de controle a comporta ou gate(g) onde se aplica o sinal que deve ser amplificado ou usado para chavear o circuito. aqui que teremos a entrada da porta lgica. O transstor polarizado de modo a haver uma tenso entre a fonte ou source (s) e o dreno ou drain (d). Fazendo uma analogia com o transstor bipolar, podemos dizer que a comporta do MOSFET equivale a base do transstor bipolar, enquanto que o dreno equivale ao Colector e a fonte ao emissor. Figura 10. Diferenas entre transstores bipolares e MOS.

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NVEIS LGICOS CMOS

Nesta figura mostram-se as tenses VIL, VIH, VOL, VOH vlidas para os dispositivos CMOS de nvel +5 VDC. Fazendo uma comparao numa viso sintetizada, temos:

FAMILIAS LGICAS

TRANSSTORES BIPOLARES

Mais Rpidos

Maior Consumo

Dificuldade de Integrao

Famlias Bipolares

(RTL,DTL,TTL, ECL, HTL...)

Famlias Unipolares

(CMOS, NMOS,PMOS...)

TRANSSTORES MOS

Mais Lentos

Menor Consumo

Facilidade de Integrao

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FAN-IN E FAN-OUT

Quando duas portas so interligadas de forma que uma sada ligada entrada da outra, por exemplo, a sada da porta 1 est ligada entrada da porta 2, se diz que a porta 1 manipula porta 2 e porta 2 para a carrega porta 1. Caso contrrio, consideremos que a sada de porta 1 vai para outras trs portas de entrada, estas portas carregam a porta 1, e est manipulan as 3 posteriores. A Fan-Out o nmero mximo de portas que podem ser ligados sada de uma porta. A tecnologia TTL deve fornecer correntes actuais das portas. A corrente que uma porta TTL pode entregar limitado de forma que o nmero de portas que podem ser ligados sada de uma porta igualmente limitado. No entanto, a tecnologia CMOS no necessita de entregar corrente para as seguintes entradas das portas, porque os CMOS tm um Fan-Out ilimitada. Portanto, Fan-Out em tecnologia CMOS tem um impacto importante no atraso que ocorre nas portas. Uma soluo quando se tem muitas portas conectado uma nica sada a utilizao de Buffer, de modo que a corrente que se pretende nas entradas das portas seja dividida entre duas ou mais portas na sua sada, isto , para a tecnologia TTL. No caso de CMOS, a utilizao dos Buffers reduz o tempo de atraso. O nmero de entradas que tm uma porta chamado Fan-In. Embora no haja nenhuma limitao quanto a uma porta Fan-in, apenas os modelos com um certo nmero de entradas so obtidas. Se for necessrio usar uma porta Fan-In, que no comercial, ser necessrio usar vrias portas comerciais para constru-lo. Quanto as portas da famlia TTL, no h muita restrio a isto, mas no caso da famlia de portas CMOS existem limitadores dos atrasos e velocidade.

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COMPATIBILIDADE

Para que haja comunicao entre dois dispositivos o nvel dos valores de sada deve ser igual ao nvel dos valores de entrada.

NOMENCLATURA NAS FAMLIAS LGICAS

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OUTROS ASPECTOS COMPARATIVOS

ANEXOS

Algumas portas lgicas e a disposio dentro do circuito:

Famlia Vantagens Desvantagens Referncias Melhoradas

TTL (74xx) - Menor atraso pela decipao de potncia - Boa flexibilidade lgica - Baixa impdncia de sada - Boa imunidade ao Rudo - Numerosas funes

- Gerao de Rudo 74Hxx 74Sxx 74Lxx 74LSxx 74ASxx 74ALSxx

ECL - Menor atraso de propagao - Boa flexibilidade lgica - Sadas complementares - Baixa impedncia de sada - Boa imunidade ao rudo - Baixa gerao de rudo

- Alta decipao - Necessita de circuito de adaptao com outras famlias

MECL 10K MECL 100K MECL 300K

MOS - Alto fan-out - Grande densidade de integrao - A NMOS mais rpido do que a PMOS

- Incompatibilidade com outras famlias - Alta impedncia de sada - No admite cabeamento lgico - Baixa velocidade PMOS

CMOS (400Cxx,74Cxx)

- A menor decipao de potncia - Maiores margens de rudos - Alto fan-out e alto fan-in - Maiores margens de alimentao - Boa imunidade ao rudo

- No admite cabeamento lgico - Menos rpido que TTL e ECL

74HCxx 74HCTxx 74ACTxx 74AHCTxx 74FCTxx 74ACTQxx 74VHCxx 74VHCTxx

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CONCLUSO

Com base aos estudos realizados a cerca do tema em causa; Famlias lgicas, levamos em considerao alguns pontos relevantes. As tecnologias de fabricao dos circuitos integrados digitais que determinam diferentes propriedades de operao como nveis de tenso, margens de rudo, potncia dissipada, sinais de entrada e sada, etc. As famlias lgicas so conjuntos de portas lgicas baseadas numa determinada tecnologa de transistores e de uma forma sintetizada podem ser classificados em bipolares e unipolares, onde os transstores de efeito de campo tomam conta da ltima categoria mencionada. Com o passar do tempo e o avano da tecnologia, algumas famlias foram melhoradas e outras extinguidas, pelo que nos tempos actuais se destacam mais a TTL e a CMOS. Para que haja comunicao entre dois dispositivos o nvel dos valores de sada deve ser igual ao nvel dos valores de entrada. Existe uma nomenclatura especfica que nos permite distinguir uma famlia da outra. Por este ser um trabalho de carcter tecnolgico, vai sempre carecer de mais informaes, como mencionado na introduo, ser quase impossvel detalhar tudo.

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BIBLIOGRAFIA Electrnica Volume 2 (Albert Mavino, David J. Bates); Electrnica para autodidatas, Estudantes e Tcnico (Gabriel Torres); Electrnica 4 Edio (Malvino); Apostila de Electrnica (Ivair Jos de Souza) www.google.com.br http://tamarisco.datsi.fi.upm.es/ASIGNATURAS/FMI/APUNTES/Tema1.pdf http://laimbio08.escet.urjc.es/assets/files/docencia/EDI/tema4.pdf http://www.iec.uia.mx/acad/jmorfin/Laboratorio%20SD_files/familias.pdf http://www.monografias.com/trabajos45/familias-logicas-electronica/familias-logicas-electronica2.shtml#caracter