Transistor-Flip-Flop: Die fundamentale sequentielle Logikschaltung für zuverlässige Binärdatenspeicherung

Interessieren Sie sich für das Erlernen oder den Bau digitaler Schaltungen, wie sie in Computern, Kommunikationsgeräten und ähnlichen Systemen vorkommen? Der erste Blick sollte dem Transistor-Flip-Flop gelten.

Die grundlegenden Bausteine von Flip-Flops sind Logikgatter – idealisierte elektronische Modelle, die Boolesche Funktionen implementieren. Diese Logikgatter können verschiedene Komponenten wie Kondensatoren und Widerstände enthalten, bestehen aber im Wesentlichen aus Transistoren.

Wir haben die verschiedenen Flip-Flop-Schaltungstypen samt ihrer Verdrahtungsdiagramme unten detailliert beschrieben. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie Sie diese für Ihr Projekt aufbauen können.

Was ist ein Flip-Flop?

Ein Flip-Flop ist eine sequentielle Logikschaltung mit integriertem Speicher. Daher können Sie Daten von aktuellen Eingängen, vorherigen Eingängen und/oder vorherigen Ausgängen durch das System laufen lassen.

Die Schaltung besteht aus mehreren Logikgattern, die zwei stabile Zustände ergeben (Logikpegel 0 oder 1), was ein Flip-Flop zu einem bistabilen Multivibrator macht.

Verschiedene Arten von Logikgattern

Quelle: Wikimedia Commons.

Der Unterschied zwischen Latch- und Flip-Flop-Schaltungen besteht darin, dass letztere flankengesteuert (edge-triggered) sind. Flankentriggerung bedeutet, sie besitzen ein Steuersignal zur Koordination der Aktionen der Digitalschaltung. Das Steuereingangssignal ist meist ein dediziertes Taktsignal, was sie zu synchronen Systemen macht.

Ein Latch-Schaltkreis hingegen ist pegelgesteuert (level-triggered), was bedeutet, dass sich sein Ausgang ändern kann, wenn sich die Eingänge ändern. Es gibt keinen Taktimpuls oder Takt-Event zur Aktivierung, weshalb es sich um asynchrone Systeme handelt.

Es ist erwähnenswert, dass Latches die wesentlichen Elemente in Flip-Flop-Schaltungen sind und flüchtige Speicherelemente darstellen, die ihre Daten bei Stromausfall verlieren.

Arten von Flip-Flops

Es gibt vier Flip-Flop-Typen, jeweils mit unterschiedlichem Schaltungsdesign und Wahrheitstabelle.

SR Flip-Flop

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

Getaktetes SR-Flip-Flop mit kreuzgekoppelten NAND-Gattern.

Quelle: Wikimedia Commons.

Es ist der am häufigsten verwendete Flip-Flop unter den vieren, besitzt die einfachste Schaltung und eine ähnliche Wahrheitstabelle wie das SR-Latch.

SR-Latch Wahrheitstabelle.

JK Flip-Flop

Ein JK-Digitalschaltkreis verbessert das Design des SR-Flip-Flops, indem er sicherstellt, dass S und R nicht gleichzeitig High sind. Dadurch wird die Möglichkeit eines verbotenen Zustands eliminiert.

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

Quelle: Wikimedia Commons.

Es besitzt folgende Wahrheitstabelle:

JK-Flip-Flop Wahrheitstabelle.

D Flip-Flop

Auch als „Data“- oder „Delay“-Flip-Flop bekannt, ist diese Schaltung eine Ein-Bit-Speicherzelle mit einem Eingangspin (D). Sie wird in digitalen Elektroniksystemen am häufigsten zum Bau von Registern und Zählern verwendet.

D-Flip-Flop-Schaltung mit NOT-Gatter und 4 NAND-Gattern.

Quelle: Wikimedia Commons.

Der Schaltungsausgang ändert sich nur an der steigenden Flanke des Takts, was zu folgender Wahrheitstabelle führt:

D-Flip-Flop Wahrheitstabelle.

T Flip-Flop

Ein T-Flip-Flop ist eine Einzel-Eingang-Version eines JK-Flip-Flops, bei der die beiden Eingänge zu einem T-Eingang verbunden werden. Das T steht für Toggle, da die Schaltung ihren Zustand komplementieren kann.

T-Flip-Flop-Schaltung mit NAND-Gattern

Quelle: Wikimedia Commons.

Die Schaltung präsentiert folgende Wahrheitstabelle:

T-Flip-Flop Wahrheitstabelle.

Anwendungen von Flip-Flops

• Zähler (Counter)
• Frequenzteiler
• Speicherregister
• Schieberegister
• Latch
• Speicher
• Prellfreie Schalter (Bounce Elimination Switch)
• Datenspeicherung
• Datenübertragung
• Register

Transistor-Flip-Flop-Schaltungen

Logikgatter sind die Hauptelemente in Flip-Flops, aber sie sind Modelle, die Logik in der Elektronik darstellen. Echte elektrische Schaltungen haben kreuzgekoppelte Komponenten zur Steuerung des Stromflusses. Die Werte in ihren Wahrheitstabellen kennzeichnen entweder eine Binärziffer 1 (hohe Spannung) oder 0 (niedrige Spannung).

Sie enthalten Komponenten wie Transistoren, Widerstände und Kondensatoren. Hier zeigen wir, wie man drei der gängigsten Schaltungen aufbaut.

Das Ein-Transistor-Flip-Flop

Wie andere konventionelle Flip-Flops speichert der Ein-Transistor-Typ ein Bit Daten. Er besitzt Set- und Reset-Eingänge sowie eine Rückkopplungsschleife zur Stabilisierung der Zustände.

Neben dem Transistor (NPN) umfasst die Schaltung zwei Dioden, zwei Kondensatoren, sechs Widerstände und eine LED.

Ein-Transistor-Flip-Flop-Schaltbild.

Aus dem Diagramm geht hervor: Man setzt die Schaltung, indem man die Versorgungsspannung an C2 anlegt. Dieser 5V-Impuls erhöht die Basisspannung am Transistor und verstärkt das Taktsignal. C1 und D1 gleichrichten das Ausgangssignal, sodass die resultierende DC-Spannung an C2 anliegt.

Die Schaltung hält eine positive Rückkopplungsschleife aufrecht, die das Flip-Flop im EIN-Zustand hält. D2 verhindert die Sättigung des Transistors (zu hoher Strom), was einen dauerhaften EIN-Zustand vermeiden würde, der das positive Rückkopplungssignal eliminieren würde.

Zum Ausschalten entlädt man C2 oder entfernt das Taktsignal für kurze Zeit. Selbst bei erneutem Anlegen des Taktsignals bleibt das Flip-Flop aus, da die 6k8- und 3k3-Widerstände sowie der Kondensator C2 den hohen Eingang stark dämpfen.

D-Flip-Flop-Schaltung mit Transistoren

Eine D-Typ-Flip-Flop-Schaltung basiert auf einem getakteten D-Latch, fügt aber eine Taktschaltung hinzu, um es zu einem flankengesteuerten D-Flip-Flop zu machen.

D-Flip-Flop-Transistorschaltbild.

Der untere Teil des Diagramms – bestehend aus Transistor, Kondensator und drei Widerständen – bildet den Taktmechanismus.

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

Widerstand R6 und Kondensator C1 wandeln das Rechteckwellen-Taktsignal in scharfe Spikessignale um, um die steigende Flanke zu detektieren.

Insgesamt besitzt der Latch-Bereich zwei Transistoren und vier Widerstände. Von hier aus gelangt der Stromeingang über den Taktabschnitt zum Latch-Transistor in der Schaltung.

Wenn der Ausgang Q eine Logik 0 ist, können Sie ein positives Signal an den Takt- und Data-In-Pin anlegen. Dies ändert den gespeicherten Zustand auf 1.

Der Takteingang lädt die Transistorbasis auf und verschiebt den Basis-Kollektor-Übergang in Durchlassrichtung. Wenn dann das positive Data-In-Signal eintrifft, fließt ein kleiner Strom von unten zum Kollektor und in den Latch.

Der Strom löst schließlich den Latch aus, wodurch dieser seinen Zustand an Q auf 1 ändert. Um eine Logik 0 anzuwenden, legen Sie den Data-In-Pin auf Masse, und Q schaltet zurück auf 0 und speichert dieses Bit.

T-Flip-Flop mit diskreten Transistoren

Toggle-Flip-Flops sind den Data-Flip-Flops sehr ähnlich, aber statt eines Data-In-Eingangs erhält der Pin sein Signal vom komplementären Ausgang Q'.

T-Flip-Flop-Transistorschaltbild

Das Ziel ist ein niedriger Dateneingang bei hohem Ausgang und ein hoher Dateneingang bei niedrigem Ausgang. Daher ist Q' entscheidend.

Da es sich jedoch um eine diskrete Schaltung handelt, funktioniert das System nicht, da dies dem Verbinden der Transistorbasis mit seinem Kollektor entspricht. Dieses Problem löst man durch Hinzufügen eines zusätzlichen Kondensators C2 in Reihe und eines Widerstands R8, der mit dem Ausgang Q verbunden ist.

Der Kondensator erzeugt eine Verzögerung zwischen Ein- und Ausgangssignal, während der Widerstand den Kondensator entlädt. Diese beiden Komponenten stellen sicher, dass der Transistorausgang wie erwartet funktioniert und kontinuierlich die Zustände wechselt.

Zusammenfassung

Zusammenfassend sind Transistor-Flip-Flops die fundamentalen Bausteine der meisten elektronischen und Computerschaltungen aufgrund ihrer integrierten Speicherfunktion.

Wenn Ihr Projekt solche Schaltungen erfordert, ist es günstiger, die oben beschriebenen Komponenten zu kaufen und die Einheit selbst aufzubauen.

Kontaktieren Sie uns, um mehr über diese Komponenten und die benötigten PCBs für den Schaltungsaufbau zu erfahren.