Transistor-Flip-Flop:Eine sequentielle Logikschaltung zum Speichern von Binärdaten

Sind Sie daran interessiert, digitale Schaltkreise zu lernen oder herzustellen, wie sie in Computern, Kommunikationsgeräten und anderen ähnlichen Arten von Systemen zu finden sind? Das erste, was Sie sich ansehen sollten, ist das Transistor-Flip-Flop.

Die grundlegenden Bausteine ​​von Flip-Flops sind Logikgatter, die idealisierte elektronische Modelle sind, die boolesche Funktionen implementieren. Diese Logikgatter können mehrere Komponenten haben, wie Kondensatoren und Widerstände, aber sie sind hauptsächlich Transistoren.

Wir haben die verschiedenen Arten von Flip-Flop-Schaltungen sowie ihre Schaltpläne unten detailliert beschrieben. Lesen Sie weiter, um herauszufinden, wie Sie sie für Ihr Projekt erstellen können.

Was ist ein Flip-Flop?

Ein Flip-Flop ist eine sequentielle Logikschaltung, die über eine Art eingebauten Speicher verfügt. Daher können Sie die Daten der aktuellen Eingaben, vorherigen Eingaben und (oder) vorherigen Ausgaben verwenden, um das System zu durchlaufen.

Die Schaltung besteht aus mehreren Logikgattern, die zu zwei stabilen Zuständen führen (einem Logikpegel 0 oder 1), wodurch ein Flipflop zu einem bistabilen Multivibrator wird.

Verschiedene Arten von Logikgattern

Quelle:Wikimedia Commons.

Der Unterschied zwischen Latch- und Flip-Flop-Schaltungen besteht darin, dass letztere flankengesteuert sind. Flankenauslösung bedeutet, dass sie ein Steuersignal haben, um die Aktionen der digitalen Schaltung zu koordinieren. Der Steuereingang ist normalerweise ein dediziertes Taktsignal, was sie zu synchronen Systemen macht.

Eine Latch-Schaltung ist jedoch pegelgesteuert, was bedeutet, dass sich ihr Ausgang ändern kann, wenn sich die Eingänge ändern. Es gibt keinen Taktimpuls oder Taktereignis, um sie zu aktivieren, also sind sie asynchrone Systeme.

Es ist erwähnenswert, dass Latches die wesentlichen Elemente in Flip-Flop-Schaltungen sind, und sie sind flüchtige Speicherelemente, die ihre Daten verlieren, wenn es zu einem Stromausfall kommt.

Arten von Flip-Flops

Es gibt vier Flip-Flop-Typen, jeder mit einem anderen Schaltungsdesign und einer anderen Wahrheitstabelle.

SR-Flip-Flop

Ein SR-Flip-Flop erhält seinen Namen von seinen Eingängen S (Set) und R (Reset).

Getaktete SR-Flip-Flop-Schaltung mit kreuzgekoppelten NAND-Gattern.

Quelle:Wikimedia Commons.

Es ist das am häufigsten verwendete Flipflop unter den vier, hat die einfachste Schaltung und eine ähnliche Wahrheitstabelle wie das SR-Latch.

SR-Latch-Wahrheitstabelle.

JK-Flip-Flop

Eine digitale JK-Schaltung verbessert das Design des SR-Flip-Flops, indem sichergestellt wird, dass S und R nicht gleichzeitig hoch sind. Dadurch wird die Möglichkeit ausgeschlossen, sich in einem verbotenen Zustand zu befinden.

JK-Flip-Flop-Schaltung mit NAND-Gattern.

Quelle:Wikimedia Commons.

Es hat die folgende Wahrheitstabelle.

JK-Flip-Flop-Wahrheitstabelle.

D-Flip-Flop

Diese Schaltung, die auch als „Daten“- oder „Verzögerungs“-Flipflop bekannt ist, ist eine Ein-Bit-Speicherzelle mit einem Eingangspin (D). Es wird am häufigsten in digitalen Elektroniksystemen zur Herstellung von Registern und Zählern verwendet.

D-Flip-Flop-Schaltung mit einem NICHT-Gatter und 4 NAND-Gattern.

Quelle:Wikimedia Commons.

Der Ausgang der Schaltung ändert sich nur an der steigenden Flanke der Uhr, was zu dieser Wahrheitstabelle führt.

D-Flip-Flop-Wahrheitstabelle.

T-Flip-Flop

Ein T-Flip-Flop ist eine Single-Input-Version eines JK-Flip-Flops, das die beiden Feeds verbindet, um einen T-Eingang zu bilden. Das T steht für Toggle, weil die Schaltung ihren Zustand ergänzen kann.

T-Flip-Flop-Schaltung mit NAND-Gattern

Quelle:Wikimedia Commons.

Die Schaltung präsentiert diese Wahrheitstabelle.

T-Flip-Flop-Wahrheitstabelle.

Anwendungen von Flip-Flops

• Zähler
• Frequenzteiler
• Speicherregister
• Schieberegister
• Verriegelung
• Erinnerung
• Schalter zur Eliminierung von Rückprall
• Datenspeicherung
• Datenübertragung
• Registriert

Transistor-Flip-Flop-Schaltungen

Logikgatter sind die Hauptelemente in Flip-Flops, aber sie sind Modelle, die Logik in der Elektronik darstellen. Echte Stromkreise haben kreuzgekoppelte Komponenten, um diesen Stromfluss zu steuern. Die Werte in ihren Wahrheitstabellen zeigen entweder eine binäre Ziffer 1 (hohe Spannung) oder 0 (niedrige Spannung) an.

Dazu gehören Komponenten wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren, und hier werden drei der häufigsten Schaltungen hergestellt.

Der Ein-Transistor-Flip-Flop

Wie andere herkömmliche Flip-Flops speichert der Single-Typ-Transistor ein Datenbit, er hat eine Reihe von Set- und Reset-Eingängen sowie eine Rückkopplungsschleife, um die Zustände stabil zu halten.

Neben dem Transistor (NPN) verfügt die Schaltung über einen Satz von zwei Dioden, zwei Kondensatoren, sechs Widerständen und einer LED.

Ein Ein-Transistor-Flip-Flop-Schaltplan.

Aus dem obigen Diagramm können Sie die Schaltung einstellen, indem Sie die Versorgungsspannung an C2 aktivieren. Dieser 5-V-Impuls erhöht die Basisspannung am Transistor und verstärkt das Taktsignal. C1 und D1 richten das Ausgangssignal gleich, wodurch die resultierende Gleichspannung an C2 erscheint.

Die Schaltung hält eine positive Rückkopplungsschleife aufrecht, die das Flip-Flop im EIN-Zustand hält. D2 verhindert, dass der Transistor gesättigt wird (zu viel Strom hat), was einen kontinuierlichen EIN-Zustand verhindert, der das positive Rückkopplungssignal eliminieren würde.

Um den Schaltkreis auszuschalten, entladen Sie C2 oder entfernen Sie das Taktsignal für kurze Zeit. Selbst wenn Sie das Taktsignal erneut anschließen, bleibt das Flipflop ausgeschaltet, da die 6K8- und 3K3-Widerstände und der Kondensator C2 den hohen Eingang stark dämpfen.

D-Flip-Flop-Schaltung mit Transistoren

Eine D-Typ-Flip-Flop-Schaltung hat einen Gate-D-Latch als Basis ihrer Verdrahtung, fügt aber eine Taktschaltung hinzu, um sie zu einem flankengetriggerten D-Flip-Flop zu machen.

Schaltplan eines D-Flip-Flop-Transistors.

Der untere Teil des Diagramms, bestehend aus Transistor, Kondensator und drei Widerständen, bildet das Uhrwerk.

Ein externer Takt liefert die Basisspannung, und der Transistor kann die Eingangsdaten nur übertragen, wenn er eine positive Basisspannung hat.

Der Widerstand R6 und der Kondensator C1 wandeln das Rechteckwellen-Taktsignal in scharfe Spitzensignale um, um die ansteigende Flanke zu identifizieren.

Insgesamt hat der Latch-Abschnitt zwei Transistoren und vier Widerstände, und von diesem Taktabschnitt führt der Stromeingang zum Latch-Transistor in der Schaltung.

Wenn der Ausgang Q eine logische 0 ist, können Sie ein positives Signal an den Pins Clock und Data In anlegen. Diese Aktion ändert die gespeicherten Daten oder den Status auf eins.

Der Takteingang lädt die Transistorbasis auf und spannt den Basis-Kollektor-Übergang in Vorwärtsrichtung vor. Wenn daher das positive Data-In-Signal eingeht, bewirkt es einen kleinen Stromfluss von unten zum Kollektor und in den Latch.

Der Strom löst schließlich den Latch aus, wodurch er seinen Zustand bei Q auf 1 ändert. Um eine logische 0 anzulegen, erden Sie den Data In-Pin, und er verschiebt Q zurück auf 0 und speichert dieses Bit.

T-Flip-Flop mit diskreten Transistoren

Toggle-Flip-Flops sind Data-Flip-Flops sehr ähnlich, aber anstatt einen Data-In-Eingang zu haben, erhält der Pin sein Signal vom komplementären Ausgang Q’.

Schaltplan eines T-Flip-Flop-Transistors

Das Ziel ist, einen niedrigen Dateninput zu erhalten, wenn der Output hoch ist, und einen hohen Dateninput, wenn die Arbeit gering ist. Daher ist Q’ in der Gleichung von entscheidender Bedeutung.

Da es sich jedoch um eine diskrete Schaltung handelt, funktioniert das System nicht, da es dem Verbinden der Transistorbasis mit seinem Kollektor entspricht. Sie können dieses Problem lösen, indem Sie einen zusätzlichen Kondensator C2 in Reihe schalten und einen Widerstand R8 an den Ausgang Q anschließen.

Der Kondensator erzeugt eine Verzögerung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen, während der Widerstand den Kondensator entlädt. Diese beiden sorgen dafür, dass der Transistorausgang wie erwartet ist und den Zustand kontinuierlich ändert.

Zusammenfassung

Zusammenfassend sind Transistor-Flip-Flops aufgrund ihrer eingebauten Speicherfunktion die grundlegenden Bausteine ​​der meisten elektronischen und Computerschaltkreise.

Wenn Ihr Projekt solche Schaltungen erfordert, ist es billiger, die oben beschriebenen Komponenten zu kaufen und dann das Gerät selbst zu bauen.

Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um mehr über diese Komponenten und die PCBs zu erfahren, die Sie zum Aufbau der Schaltungen benötigen.