Flipflop

Flipflop schaltzeichen.png 40900 Teil 12]] Ein Flipflop (engl. flip-flop), auch bistabile Kippstufe oder bistabiles Kippglied genannt, ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen und diese speichern kann.

Entstehung

Entwickelt wurde die Flipflop-Schaltung auf der Suche nach Zählschaltungen von den Engländern William Henry Eccles und F. W. Jordan an rückgekoppelten Radioröhren-Verstärkern (Radio Review. Dez. 1919, S. 143 ff), und erhielt ursprünglich die Bezeichnung Eccles-Jordan-Schaltung. Leider ist über F. W. Jordan nichts weiter bekannt. Flipflop gibt lautmalerisch das Geräusch wieder, welches die Kippvorgänge in der Schaltung an einem Lautsprecher, der in einem der Ausgänge liegt, hervorrufen.

Charakteristik

Flipflop by trexer.png | ISO-RS-FF-NAND-with-clock.png Ein Flipflop ist durch zwei mögliche stabile Zustände gekennzeichnet. Die Realisierung kann im Hinblick auf die verwendeten Schaltgatter, auf die Reaktion bezüglich eines Taktsignals und ähnliche Eigenschaften variieren. Es stellt eine besonders wichtige und elementare Form eines Schaltwerkes dar.

Ein Flipflop hat zwei Zustände: setzen (set) und rücksetzen (reset). Um das Flipflop zu setzen, muss am "set" Eingang ein Signal angelegt werden (z.B. bei der Transistor-Transistor-Logik (TTL) eine Spannung von 5 Volt), danach bleibt das Flipflop im gesetzten Zustand, bis ein weiteres Signal auf den "reset" Eingang gelegt wird. Durch diese Zustände kann beispielsweise eine binäre Ziffer dargestellt werden (0 oder 1)

Durch das Zusammenschalten mehrerer Flipflops entstehen komplexe Systeme wie Zähler (Asynchron / Synchron), Datenspeicher (Halbleiterspeicher) und Mikroprozessoren. Flipflops sind Grundbausteine für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik von heute, einschließlich der Computer.

Siehe auch Kippstufe, Multivibrator

Klassifizierung der Flipflop-Typen

Flipflops-klassifizierung.png

Zustands- und flankengesteuerte Flipflops

Flipflop Impulsdiagramm.png Flipflops lassen sich in zustandsgesteuerte (auch "pegelgesteuert") und flankengesteuerte Flipflops einteilen. Zustandsgesteuerte Flipflops reagieren ständig (bzw. während der gesamten aktiven Taktphase bei taktzustandsgesteuerten Flipflops) auf die Spannungen, die angelegt werden. Sie arbeiten asynchron. Zustandsgesteuerte Flipflops werden auch Latches genannt.

Flankengesteuerte Flipflops können den Zustand nur bei der Taktflanke ändern. Dazwischen bleibt der Zustand gespeichert. Man unterscheidet vorderflankengesteuerte (Wechsel bei steigender Taktflanke) und rückflankengesteuerte (Wechsel bei fallender Taktflanke) Flipflops. Zweiflankengesteuerte Flipflops werden auch "Master-Slave-Flipflops" genannt. Sie bestehen aus zwei hintereinander geschalteten Flipflops. Die erste Flanke setzt nur den Master, die zweite den Slave. Dieser ist mit dem Ausgang verbunden, sodass der Ausgang erst bei der zweiten Flanke reagiert. Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungen.

Streng genommen werden als Flipflop nur flankengesteuerte Bausteine bezeichnet. Pegelgesteuerte Bausteine werden als Latch bezeichnet.

RS- und D-Latch/Flipflop

Ein RS-Flipflop ist die einfachste Art eines Flipflops. Mit einem Signal am "Setz"-Eingang (S) wird der Ausgang auf 1 gesetzt und mit dem "Rücksetz"-Eingang (R) zurückgesetzt. Diese Flipflops gibt es ebenfalls flankengesteuert. Eine Besonderheit, die auch beim Aufbau von Schaltungen beachtet werden muss, ist das Verbot der Eingangsbelegung R = S = 1 (RS aus NOR-Gattern) bzw. R = S = 0 (RS aus NAND-Gattern), da dies zu undefinierten Zuständen führt und deshalb vermieden werden muss. Man kann jedoch einen Eingang dominierend schalten, und somit einen unlogischen Zustand vermeiden. Diese Flipflops werden am dominierenden Eingang mit einer 1 nach dem Buchstaben gekennzeichnet.

Name	Schaltsymbol	Impulsdiagramm	Ersatzschaltbild	Wahrheitstabelle
RS-Flipflop mit Takt	SR flip-flop.png	SR latch impulse diagram.png	ISO-RS-FF-NAND-with-clock.png

_S_	_R_	Takt-Flanke	_Q_
0	0	neg	unverändert
0	0	pos	unverändert
0	1	neg	unverändert
0	1	pos	0 (zurückgesetzt)
1	0	neg	unverändert
1	0	pos	1 (gesetzt)
1	1	neg	unverändert
1	1	pos	unzulässig

Ein RS-Flipflop mit nur einem Eingang, der gleichzeitig Setz-Eingang und negierter Rücksetz-Eingang ist, wird D-Flipflop (D für Delay) genannt. Bei jedem Takt (C für Clock) nimmt das Flipflop den Zustand an, der am Eingang anliegt.

JK-Flipflop

Eine weitere Klasse von Flipflops sind die JK-Flipflops. Sie wurden wahrscheinlich nach Jack Kilby benannt, werden aber oft Jump-/Kill-Flipflops genannt, da bei der Eingangsbeschaltung J = 1 eine 1 und bei K = 1 eine 0 gespeichert wird. Sie sind fast immer als flankengesteuertes Bauelement ausgeführt. Der Eingang C kann für steigende Flanken (Wechsel von 0 auf 1) oder für fallende Flanken (Wechsel von 1 auf 0) ausgelegt werden. Der Zustand J = K = 1 ist erlaubt. Sollte diese Situation eintreten, wechselt der Ausgangspegel mit jeder wirksamen Flanke des Taktsignals, was dem Verhalten eines Toggle-Flipflops entspricht. Für J = K = 0 bleibt der Zustand erhalten.

Name	Schaltsymbol	Impulsdiagramm	Wahrheitstabelle
JK-Flipflop	JK_flip-flop.png	JK FF impulse diagram.png

während des Taktes		nach Taktflanke
J	K	Q
0	0	Zustand bleibt erhalten
0	1	0 (Flipflop zurückgesetzt)
1	0	1 (Flipflop gesetzt)
1	1	Zustand wechselt (toggle)

Viele der erhältlichen Flipflops vereinen verschiedene Bauformen in sich und sind so vielseitiger einsetzbar.

T-Flipflop

Wenn die beiden Eingänge des JK-FF mit logisch "1" verbunden werden, ergibt sich ein T-Flipflop (T für toggle). Wegen der oben schon erwähnten Eigenschaft des mit halber Frequenz des Taktsignals wechselnden Ausgangspegels dienen diese Flipflops vor allem als Frequenzteiler und Zähler.

bgc	Q
0	0
1	1
0	1
1	0

Im obigen Ersatzschaltbild ist ein RS-FF eingezeichnet und der obige Text behauptet, das T-FF bestehe aus einem JK-FF. Nun, beides ist richtig, ein RS-FF fängt jedoch - anders als im obigen Impulsdiagram gezeigt - bei anliegendem Takt an zu oszillieren. Damit es umschaltet, muss das Takt-Signal genau eine halbe Oszillation auf 1 liegen. Im Folgenden ist ein JK-FF gezeigt. Man beachte, dass durch die Rückkopplung die Meister- und Sklaven-Rolle beim Umschalten aufgehoben ist. Häufig kann man auf ein explizites Setzen oder Löschen des T-FF verzichten und dadurch eine schnellere Schaltung erreichen.

Schaltzeichen verschiedener Flipflop-Typen

FlipFlops_Uebersicht.png

Verwendung von Flipflops

Flipflops sind als 1-Bit-Speicher anzusehen. Für die Verwendung in Mikroprozessoren werden aus ihnen Register der entsprechenden Wortbreite zusammengesetzt. Register_8bit.png

Auch das SRAM besteht aus einer Flipflop-Schaltung, im Gegensatz zum DRAM welches im Grunde aus einer R/C-Schaltung besteht (Widerstand/Kondensator).

Weblinks

Digitaltechnik | Elektrische Schaltung

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