SumrioSumrioSumrioSumrio

Introduo 5

O disparador Schmitt 6

Princpio de funcionamento 8 Caso 1: sem sinal de entrada 8 Caso 2: com sinal de entrada 10 Curva de transferncia 16

Alterao do ciclo de histerese no disparador schmitt 18

Aplicaes do disparador schmitt 21

Apndice 27

Questionrio 27

Bibliografia 28

Espao SENAI

Misso do Sistema SENAI

Contribuir para o fortalecimento da indstria e o desenvolvimento pleno e sustentvel do Pas, promovendo a educao para o trabalho e a cidadania, a assistncia tcnica e tecnolgica, a produo e disseminao de informao e a adequao, gerao e difuso de tecnologia.

Srie de Eletrnica

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IntroduoIntroduoIntroduoIntroduo

Existe um grande nmero de circuitos constitudos basicamente por um par de transistores e seus elementos polarizadores. Alguns desses circuitos, com larga aplicao, j foram apresentados, discutidos e estudados. o caso dos multivibradores astvel, biestvel e monoestvel.

Este fascculo trata de um circuito eletrnico denominado de disparador Schmitt, que tambm apresenta a configurao bsica de um par de transistores. Esse circuito, simples na sua essncia, muito utilizado para a converso de sinais analgicos variantes no tempo, em sinais digitais exibindo dois nveis distintos.

Os conceitos relacionados ao princpio de funcionamento do disparador Schmitt, juntamente com aqueles tratados no fascculo intitulado Sensores, desta Srie de Eletrnica, permitiro ao leitor a utilizao de circuitos de controle de iluminao, temporizao e outros.

Para a boa compreenso do contedo e desenvolvimento das atividades contidas neste fascculo, o leitor dever estar familiarizado com os conceitos relativos a:

Multivibrador biestvel. Multivibrador monoestvel. Multivibrador astvel.

Disparador Schmitt

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O disparador SchmittO disparador SchmittO disparador SchmittO disparador Schmitt

O disparador Schmitt ou Schmitt trigger, como tambm conhecido, um tipo de circuito biestvel largamente empregado nos circuitos eletrnicos digitais. Sua diferena bsica em relao ao multivibrador convencional reside nas condies de disparo.

Se por um lado a troca de estados no circuito convencional requer uma transio rpida aplicada entrada, como ilustrado na Fig.1a, a troca de estados no disparador Schmitt ocorre no momento em que o sinal de entrada atinge um determinado nvel, independentemente de sua forma de variao no tempo, conforme ilustrado na Fig.1b.

Fig.1 (a) Troca de estados em um multivibrador biestvel convencional, a partir da aplicao de uma transio abrupta na entrada. (b) Troca de estados em um disparador Schmitt submetido a uma variao arbitrria de tenso na entrada.

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Conforme mostra a Fig.1b, a sada do disparador Schmitt se mantm em um estado estvel at que a tenso de entrada atinja o valor limite V0 no instante de tempo t = t0. Quando isso ocorre, a tenso de sada muda abruptamente de valor, o que corresponde mudana de estado do disparador.

Esse tipo de caracterstica, inerente ao disparador Schmitt, permite sua aplicao na converso de um sinal analgico, que pode assumir qualquer nvel de tenso ao longo do tempo, em um sinal digital de apenas dois nveis distintos.

Em diagramas de circuito, o disparador Schmitt geralmente representado pelos blocos mostrados na Fig.2.

A Fig.3 mostra o circuito bsico do disparador Schmitt, onde se pode notar que a diferena em relao ao multivibrador biestvel convencional ocorre na ausncia de realimentao do coletor de T2 para a base de T1.

Fig.3 Circuito bsico do disparador Schmitt.

Fig.2 Duas formas de representao do disparador Schmitt.

Disparador Schmitt

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PRINCPIO DE FUNCIONAMENTOPRINCPIO DE FUNCIONAMENTOPRINCPIO DE FUNCIONAMENTOPRINCPIO DE FUNCIONAMENTO

CASO 1: SEM SINAL DE ENTRADACASO 1: SEM SINAL DE ENTRADACASO 1: SEM SINAL DE ENTRADACASO 1: SEM SINAL DE ENTRADA

O funcionamento do disparador Schmitt pode ser analisado considerando a entrada do circuito inicialmente desligada.

Com a base desligada, o transistor T1 est no regime de corte. A Fig.4a ilustra essa condio, com T1 sendo representado por um interruptor aberto. Isso equivale ao transistor T1 estar ausente no circuito. Dessa forma T2 fica polarizado por divisor de tenso, a partir da tenso VC1, indicada na Fig.4.

Fig.4 (a) Disparador Schmitt com T1 no regime de corte. (b) Circuito equivalente.

No disparador Schmitt as resistncias associadas a RB2 e RB3 so dimensionadas de forma que, com T1 no regime de corte, a corrente de base em T2 seja muito maior que aquela necessria para sua saturao.

Tomando como base um disparador Schmitt padro, as tenses no circuito, medidas em relao ao terra do circuito, assumiriam os valores tpicos indicados na Fig.5.

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Fig.5 Valores tpicos das tenses em alguns pontos do circuito de um disparador Schmitt convencional.

Com base na Fig.5, VBE2 = 0,7 V e VCE2 = 0,3V, o que implica a saturao de T2. Enquanto persistir a condio VB1 = 0 V, a tenso de sada ser mantida no valor VC2 = 1,3V.

A Fig.6 ilustra a dependncia temporal da tenso de sada para VB1 = 0 V.

Fig.6 Dependncia temporal da tenso de sada na condio Vent = VB1 = 0 V.

Na condio de saturao de T2, a corrente IE2, indicada na Fig.5, pode ser determinada pela expresso

Disparador Schmitt

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( )1 EC2

satCE,CCE2 RR

VVI

+

=

onde VCE,sat = 0,3V para transistores de silcio.

CASO 2: COM SINAL DE ENTRADACASO 2: COM SINAL DE ENTRADACASO 2: COM SINAL DE ENTRADACASO 2: COM SINAL DE ENTRADA

O estado do circuito mostrado na Fig.5 estvel e s pode ser alterado pela aplicao de um determinado valor de tenso na base de T1. Esse valor de tenso pode ser obtido, por exemplo, com o emprego de um potencimetro conectado base de T1, conforme ilustrado na Fig.7.

Fig.7 Emprego de um potencimetro para se obter uma variao de tenso na base do transistor T1.

Se a tenso Vent, derivada do potencimetro da Fig.7 satisfaz condio

Vent V< 1 5,

obtm-se uma tenso base-emissor no transistor T1 satisfazendo condio

V V V VBE1 ent E BE1 V V 0,5 V= <

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A condio VBE1 < 0,5 V mantm o transistor T1 no regime de corte, e conseqentemente, o circuito permanece estvel com T2 saturado, e com uma tenso de sada VC2 = Vs = 1,3 V. Ou seja:

V V V Vent BE1 C2 s V V V< < = =1 5 0 5 1 3, , ,

No momento em que a tenso de entrada atinge o valor Vent = 1,5 V, tem-se que VBE1 = V = 0,5 V. O parmetro V = 0,5 V se refere ao valor limite da tenso base-emissor de um transistor de silcio que o coloca na iminncia de conduo. Um exame da Fig.8 indica que, a iminncia de conduo de T1 produz dois efeitos:

Fig.8 Efeitos produzidos no circuito da Fig.7 na iminncia de conduo de T1.

A corrente no resistor RE aumenta devido ao aumento da corrente IE1 proveniente de emissor de T1. Ocorre, portanto, um pequeno aumento na tenso VE indicada na Fig.8.

Aumenta a corrente de coletor IC1 o que provoca um acrscimo na tenso sobre o resistor RC1. Dado que VC1=VCC RC1IC1, a tenso VC1 diminui.

Uma vez que o regime de operao de T2 determinado pelas tenses VE e VC1, medida que VE aumenta, VC1 diminui, o que provoca um decrscimo na

Disparador Schmitt

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tenso VBE2, conforme ilustrado na Fig.8. O transistor T2 permanecer saturado enquanto a corrente de base IB2 for superior ao valor de saturao.

Com base na Fig.8, quando a tenso de entrada atingir um valor tal que T1 conduza mais fortemente, o que ocorre para VBE1 0,6 V, a tenso VC1 comea a diminuir rapidamente, provocando um rpido decrscimo na corrente IB2, o que a torna insuficiente para manter T2 saturado. Isso faz que T2 comece a sair da saturao em direo ao regime de corte, o que provoca uma rpida diminuio na corrente IE2 e conseqentemente na tenso VE. Com a reduo na tenso VE, aumenta o valor de VBE1 o que coloca T1 ainda mais no regime de conduo.

Essa seqncia de eventos leva rapidamente T2 ao regime de corte e T1 saturao, conforme ilustrado no diagrama seguinte.

VBE1>0,6 V IC1 VC1

IE1 VE

VE VBE1 VBE2

IE2 IC2 IB2

O ciclo de realimentao indicado no diagrama anterior prossegue at que T1 esteja plenamente saturado, com VBE1 0,7 V e T2, no regime de corte com VCE2 0,3 V.

Dessa forma, o circuito se mantm estvel mesmo que a tenso de entrada continue aumentando, conforme ilustrado na Fig.9.

Antes de prosseguir na anlise, necessrio observar um aspecto importante na escolha dos elementos de polarizao dos dois transistores do disparador Schmitt, mostrado na Fig.10.

Fig.9 Tenses de entrada e sada no circuito da Fig.8.

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Fig.10 Circuito do disparador Schmitt.

Em geral, a resistncia do resistor RC1 4 a 5 vezes maior que aquela do resistor RC2. Dessa forma, nos dois estados possveis do circuito, tem-se que:

TTTT1111 saturado e saturado e saturado e saturado e TTTT2222 no regime de corteno regime de corteno regime de corteno regime de corte

Denotando-se a corrente e a tenso no resistor RE por IE12 e VE12, respectivamente, da Fig.10 tem-se que:

EC1

satCE,CCE1C1 RR

VVII

+

=

IE2 0

EC1

satCE,CCE2E1E12E RR

VVIIII

+

+=

+

==EC1

satCE,CCEE12EE12E RR

VVRIRVV

Disparador Schmitt

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TTTT2222 saturado e saturado e saturado e saturado e TTTT1111 no regime de corteno regime de corteno regime de corteno regime de corte

Denotando-se a corrente e a tenso no resistor RE por IE21 e VE21, respectivamente, da Fig.10 tem-se que:

EC2

satCE,CCE2C2 RR

VVII

+

=

IE1 0

EC2

satCE,CCE2E1E21E RR

VVIIII

+

+=

+

==EC2

satCE,CCEE21EE21E RR

VVRIRVV

Os dois resultados obtidos anteriormente implicam a seguinte concluso:

RC1>RC2

+

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Fig.11 Exemplo de valores tpicos de tenso em pontos do circuito da Fig.10 aps a transio de T1 do corte saturao.

Para que o circuito volte ao estado inicial, com T2 saturado, necessrio que a tenso de entrada diminua o suficiente para levar o transistor T1 ao regime de corte. Isso implica a obteno de uma tenso VBE1 < 0,5 V. Com base nos valores indicados na Fig.11

V V V V V V Vent BE1 E BE1 ent E ent V= + = = 0 3,

de modo que

V VBE1 ent V V < V< 0 5 0 3 0 5, , ,

Vent < V0 8,

Dessa forma, a partir do instante de tempo em que a tenso de entrada se torna inferior a 0,8 V, o transistor T1 entra rapidamente no regime de corte, o que provoca a saturao de T2. A Fig.12 ilustra o tipo de sinal obtido na sada do disparador Schmitt, para variaes lineares da tenso de entrada como funo do tempo.

Disparador Schmitt

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CURVA DE TRANSFERNCIACURVA DE TRANSFERNCIACURVA DE TRANSFERNCIACURVA DE TRANSFERNCIA

A Fig.13 mostra a curva de transferncia do circuito, que representa a dependncia da tenso de sada com relao tenso de entrada. A seta para cima por sobre a linha tracejada indica que um aumento na tenso Vent alm do valor limite de 1,6 V provoca a transio de estados, que corresponde a uma mudana brusca na tenso de sada de 1,3 V para 12 V. A seta para baixo indica que uma reduo na tenso Vent abaixo do valor limite de 0,8 V provoca a segunda transio de estados, que corresponde a uma mudana brusca na tenso de sada de 12 V para 1,3 V.

Fig.13 Curva de transferncia de um disparador Schmitt.

Fig.12 Sinal de sada do disparador Schmitt, para variaes lineares no tempo da tenso de entrada.

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Existe uma peculiaridade na curva de transferncia mostrada na Fig.13, uma vez que o simples conhecimento do nvel de tenso na entrada no suficiente para determinar o valor da tenso de sada.

Por exemplo, para a tenso de entrada de 1,2V indicada na Fig.14, a sada poderia ser 1,3 ou 12 V. Se fosse conhecido, por exemplo, que a tenso de entrada foi variada de um valor inicial de 0,7 V at o valor de 1,2 V, poder-se-ia afirmar, com segurana, que a tenso de sada no circuito seria de 1,3 V. Se por outro lado, fosse j conhecido que a tenso de entrada estivesse diminuindo de um valor de 2 V, at atingir o valor de 1,2 V, a resposta com certeza seria uma tenso de sada de 12 V.

Fig.14 Incerteza na determinao da tenso de sada do disparador Schmitt, para uma tenso de entrada de 1,2 V.

Esse exemplo serve para demonstrar que o disparador Schmitt tem memria, ou seja, o tipo de resposta do sistema depende da histria passada do sinal de entrada.

Pode-se, portanto, dividir a caracterstica de transferncia mostrada na Fig.14, em trs regies:

Vent > 1,6 V Vs = 12 V; Vent < 0,8 V Vs = 1,3 V; 0,8 V < Vent < 1,6 V Vs poder assumir dois valores, cuja determinao s

poder ser feita, conhecendo-se a histria passada do sinal de entrada.

Disparador Schmitt

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Quando mais de um nvel de entrada provoca troca de estados em um sistema, conforme evidenciado na caracterstica de transferncia do disparador Schmitt, diz-se que o sistema exibe histerese.

ALTERAO DO CICLO DE HISTERESE NO ALTERAO DO CICLO DE HISTERESE NO ALTERAO DO CICLO DE HISTERESE NO ALTERAO DO CICLO DE HISTERESE NO DISPARADOR SCHMITTDISPARADOR SCHMITTDISPARADOR SCHMITTDISPARADOR SCHMITT

Em muitas ocasies a existncia de histerese em um sistema pode ser indesejvel, tornando-se necessrio reduzi-la ao mximo.

Uma das formas de reduzir a histerese no disparador Schmitt alterando o ganho do circuito atravs do resistor de coletor de T1. Entretanto, esse procedimento pode tornar o circuito instvel.

Uma outra possibilidade consiste em acrescentar um resistor em srie com o emissor de apenas um dos transistores. A Fig.15 mostra uma possvel configurao do disparador Schmitt, tendo um resistor em srie com o emissor de T1.

Fig.15 Configurao alternativa do disparador Schmitt para reduo da histerese do circuito.

Na forma indicada na Fig.15, o resistor adicional no altera o comportamento de T2. Permanece assim inalterado o valor V1 da tenso de entrada que promove a transio de T2 da saturao ao corte.

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J o nvel de tenso V2 que promove a transio de T1 da saturao ao corte torna-se maior com o acrscimo do resistor, resultando em uma reduo da histerese.

A Fig.16 ilustra a alterao na histerese de um disparador Schmitt, resultante da adio de um resistor em srie com o emissor de T1.

Fig.16 Alterao da histerese de um disparador Schmitt a partir da modificao indicada na Fig.15.

Pode-se tambm diminuir o efeito da histerese pela adio de um resistor em srie com o emissor de T2, conforme indicado na Fig.17.

Fig.17 Disparador Schmitt com a adio de um resistor em srie com o emissor de T2 para reduo da histerese.

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Nessa situao V2 permanece inalterada, ao passo que V1 diminui, conforme mostrado na Fig.18.

Fig.18 Alterao da histerese de um disparador Schmitt a partir da modificao indicada na Fig.17.

O valor de resistncia Rh do resistor srie adicionado ao circuito, pode ser determinado aproximadamente a partir da expresso,

( )2 E

desejadooriginalh I

VVR

=

onde:

Voriginal a largura da histerese, obtida da caracterstica de transferncia do circuito original.

Vdesejado o valor desejado da largura da histerese. IE a corrente de emissor associada ao transistor cujo emissor conectado ao

resistor Rh.

Exemplo 1: Determinar o valor da resistncia Rh de forma a alterar a histerese de um disparador Schmitt, de acordo com as informaes contidas na Tabela 1.

Tabela 1 Dados referentes ao Exemplo 1. Parmetro Circuito original Circuito com resistor Rh

V1 2,5 V 2,5 V V2 1,8 V 2,3 V IE 3 mA

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De acordo com os dados da Tabela 1, V1 permanece inalterado, e conseqentemente Rh deve ser adicionado em srie com o emissor de T1. A corrente IE indicada na Tabela 1 corresponde, portanto, corrente de emissor de T1. Com esses dados, tem-se que:

Voriginal = V2 5 1 8 0 7, , , = V 203252=desejado ,,,V =

e utilizando a Eq.(2), obtm-se

=== 166003050

00302070

h,

,

,

,,R

virtualmente impossvel eliminar completamente a histerese, devendo-se, no mximo, procurar a melhor soluo possvel. Se os valores desejados fossem V1 = V2=2,5 V, o valor da resistncia Rh seria

Rh =

= =0 7 00 003

0 70 003

233,,

,

,

Neste ltimo caso, o arredondamento no valor de Rh deve ser realizado para menos, de forma a garantir uma histerese mnima e evitar instabilidades no circuito.

APLICAES DO APLICAES DO APLICAES DO APLICAES DO DISPARADOR SCHMITTDISPARADOR SCHMITTDISPARADOR SCHMITTDISPARADOR SCHMITT

O disparador Schmitt utilizado principalmente na converso de sinais analgicos em digitais. Considere-se, por exemplo, um disparador Schmitt exibindo a curva de transferncia mostrada na Fig.19.

Fig.19 Disparador Schmitt e sua curva de transferncia.

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Se fosse aplicada na entrada do disparador uma tenso ca com Vmx = 3 V, com base na curva de transferncia mostrada na Fig.19, a sada do disparador forneceria uma seqncia de pulsos retangulares, conforme indicado na Fig.20. Verifica-se que para Vent 2,3 V, gerado um pulso de 10 V na sada. Quando a entrada inferior a 1,5 V a sada se mantm em 1 V. Como se pode observar na Fig.20 o trem de pulsos tem a mesma freqncia do sinal de entrada.

Fig.20 Sinal gerado na sada do disparador Schmitt da Fig.19, para um sinal senoidal aplicado entrada.

Para proteger a entrada do circuito quando a tenso de entrada se torna negativa, pode-se utilizar um retificador de meia onda na entrada do disparador, conforme ilustrado na Fig.21.

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Fig.21 Uso de um retificador de meia onda para proteo do disparador Schmitt.

O circuito mostrado na Fig.21 muito utilizado para servir como gerador de pulsos para relgios eletrnicos, que utilizam a rede eltrica de 60 Hz. O mesmo circuito pode ser utilizado para disparar em valores mais altos da tenso de entrada utilizando um divisor de tenso, na forma indicada na Fig.22.

Fig.22 Circuito da Fig.21 com a adio de um divisor de tenso para permitir o disparo do circuito em nveis mais altos da tenso de entrada.

A adio dos resistores do divisor de tenso da Fig.22 no altera as tenses de disparo V1 e V2. No entanto, os nveis de tenso de entrada para provocar os disparos dependem da relao entre R2 e R1.

O disparador Schmitt pode tambm ser utilizado no acionamento de rels, largamente empregados no controle de cargas de alta potncia. A Fig.23 mostra um disparador Schmitt com um rel substituindo o resistor de coletor de T2.

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Fig.23 Disparador Schmitt utilizado para o acionamento de um rel.

No circuito da Fig.23, enquanto T2 est saturado a corrente IC2 circula atravs da bobina do rel que fica acionado. Aplicando um determinado valor de tenso de entrada, T1 satura e T2 entra no regime de corte. A corrente IC2 torna-se praticamente nula, desativando o rel.

A vantagem no uso do rel reside no fato de seus contatos estarem isolados eletricamente da bobina, conforme ilustrado na Fig.23. Isso possibilita que o rel seja acionado por um circuito eletrnico em cc e controle cargas em ca.

A Fig.24 mostra um disparador Schmitt utilizado para controlar uma lmpada incandescente e os grficos de comportamento da tenso VC2 em funo das variaes da tenso de entrada.

Um aspecto importante a se observar nos circuitos das Figs.23 e 24 a presena do diodo em paralelo com a bobina do rel. Esse diodo utilizado para proteger o transistor das sobretenses geradas, por auto-induo, toda vez que a bobina do rel desenergizada. O diodo, que normalmente est polarizado inversamente, conduz apenas quando a auto-induo d origem a uma fora contra-eletromotriz na bobina, impedindo que o transistor seja danificado.

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Toda vez que um indutor for operado em chaveamento por um transistor mandatrio o uso do diodo de proteo.

Fig.24 Disparador Schmitt utilizado para o acionamento de uma lmpada incandescente.

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A Fig.25 mostra as formas corretas de conexo do diodo em paralelo com o indutor, para o caso de transistores npn e pnp.

Fig.25 Formas corretas de conexo de um diodo em paralelo com o indutor para circuitos empregando transistores npn e pnp.

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ApndiceApndiceApndiceApndice

QUESTIONRIOQUESTIONRIOQUESTIONRIOQUESTIONRIO

1. Qual a caracterstica de circuito que diferencia um disparador Schmitt de um multivibrador biestvel?

2. Faa um diagrama ilustrativo da curva de transferncia de um disparador Schmitt.

3. Para um disparador Schmitt tendo a curva de transferncia mostrada na Fig.13, determinar a tenso de sada nos seguintes casos: (a) Vent = 0,5 V. (b) Vent = 3,0 V. (c) Vent = 1,4 V. (d) Admitindo que Vent tenha aumentado de um valor inicial nulo at o valor

final de 1,4 V. (e) Admitindo que Vent tenha diminudo de 3,0 V at o valor final de 1,4 V.

4. Qual a caracterstica principal de um sistema que exibe histerese?

5. Que tcnica empregada para modificao da histerese de um disparador Schmitt?

6. Cite algumas aplicaes do disparador Schmitt.

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BIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIABIBLIOGRAFIA

ARNOLD, Robert & BRANDT, Hans, Transistores, segunda parte, So Paulo, EPV (1975).

MILLMANN, Jacob & TAUB, Herbert, Circuitos de pulsos, digitales y de commutacion, Mxico, Libros Mc Graw Hill do Brasil, (1977).

STRAUS, Leonard, Wave generation and shaping, So Paulo, 2a edio, McGraw-Hill, Inc. (1970).