Ein Referat von Wojciech Gora Projektlabor 2006 / 2007 Gruppe: WoM und Klatsch Flip - Flops Ein Referat von Wojciech Gora

Definition Ein Flipflop (engl. flip-flop), auch bistabile Kippstufe oder bistabiler Multivibrator genannt, ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen und diese speichern kann. 11/22/2018 Wojciech Gora

Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines Flip-Flops (am Beispiel eines R-S-Flip-Flops) 2 Eingänge (s)et und (r)eset 2 Ausgänge q und q (quer) Impuls an s  q wird gesetzt. (und bleibt es) Impuls an r  q (quer) wird gesetzt. (und bleibt es) Realisierung eines Speichers Vorsicht: s und r gleichzeitig ist unzulässig  VERBOTEN!!! 11/22/2018 Wojciech Gora

Grundlagen: Der Transistor als digitales Bauelement Kennzeichen linearer Schaltungen: Ausgangsspannung ist lineare Funktion der Eingangsspannung  Ausgangsspannung darf positive und negative Aussteuerungsgrenze nicht erreichen, sonst: VERZERRUNGEN Digitalschaltungen arbeiten nur mit 2 Betriebszuständen Interesse besteht nur noch darin, ob Spannung größer als ein bestimmter Wert UH, oder kleiner als ein vorgegebener Wert UL Spannung größer UH  Zustand: H (high) Spannung kleiner UL  Zustand: L (low) Zustände werden durch unterschiedliche Spannungspegel verwirklicht 11/22/2018 Wojciech Gora

Schaltkreisfamilien TTL (Transistor-Transistor-Logic) Betriebsspannung: 5V Hauptanwendungsgebiete: Computer, Interfaces, etc. (wo es auf kurze Schaltzeiten ankommt) CMOS (Complementery Symmetry - Metal Oxide Semiconductor) Extrem niedriger Stromverbrauch (bis 10 nW) im statischen Betrieb weiter Betriebsspannungsbereich ( +3V bis +15V )  im portablen Bereich durchgesetzt 11/22/2018 Wojciech Gora

Kippschaltungen mit gesättigten Transistoren Kippschaltungen sind mitgekoppelte Digitalschaltungen  springen nur zwischen zwei festen Werten hin und her Umkippvorgang kann auf verschiedene Weise ausgelöst werden: bistabile Kippschaltung monostabile Kippschaltung astabile Kippschaltung 11/22/2018 Wojciech Gora

Bistabile Kippschaltung 2 stabile Zustände (bistabil) Zustandsänderung nur bei Eingangssignal Beim Flip-Flop: kurzer Impuls Beim Schmitt-Trigger: beständiges Signal 11/22/2018 Wojciech Gora

Monostabile Kippschaltung Nur ein stabiler Zustand Zweiter Zustand nur für bestimmte durch Dimensionierung festgelegte Zeit stabil Danach  kippt in stabilen Zustand Deshalb auch: Zeitschalter, Monoflop, Univibrator oder Oneshot 11/22/2018 Wojciech Gora

Astabile Kippschaltung kein stabiler Zustand  Kippt ständig hin und her Deshalb: Multivibrator 11/22/2018 Wojciech Gora

Prinzipschaltung Alle drei Kippschaltungen lassen sich durch eine Prinzipschaltung verwirklichen: 11/22/2018 Wojciech Gora

Bistabile Kippschaltung: Flip-Flop (setzen) Spannung an S  T1 leitend C-Pot(T1) sinkt Basisstrom von T2 wird kleiner  C-Pot(T2) steigt Basistromzunahme über R1 an T1  stationärer Zustand: C-Pot(T1) auf Sättigungsspannung T2 sperrt, T1 wird über R1 leitend gehalten  man kann die Spannung an S wieder auf Null setzen keine Änderung 11/22/2018 Wojciech Gora

Bistabile Kippschaltung: Flip-Flop (rücksetzen) Zurückkippen  positiver Spannungs-Impuls am Rücksetz Eingang Beide Eingangsspannungen Null (R=S=0)  letzter Zustand bleibt erhalten  Informationsspeicher Beide Eingangsspannungen auf H (R=S=H)  Problem! 11/22/2018 Wojciech Gora

Flip-Flop: Eingangsspannungen auf H (R=S=H) Beide Transistoren leitend  beide C-Pot niedrig Basisströme werden ausschließlich von Steuerspannungsquellen geliefert wenn zurück auf R=S=0: Beide C-Pot steigen gleichphasig an Da Symmetrie nicht ideal  Cpot(T1) != Cpot(T2)  Stabiler Zustand wird erreicht  Keine Vorhersage möglich!  R=S=H unzulässig! 11/22/2018 Wojciech Gora

R-S Flip-Flop: Pegeltabelle 11/22/2018 Wojciech Gora

Kippschaltungen mit Gattern Kippschaltungen lassen sich auch mit integrierten logischen Schaltungen („Gattern") realisieren. Im Folgenden: HI – Spannung entspricht einem Wert von 1 LO – Spannung entspricht einem Wert von 0 11/22/2018 Wojciech Gora

Elementare Schaltglieder Alle Operationen in digitalen Schaltungen lassen sich auf drei logische Grundverknüpfungen zurückführen: AND, OR und NOT NOT Operator ist Inverter  aus 1 wird 0 und umgekehrt AND und OR entsprechend folgender Tabelle: 11/22/2018 Wojciech Gora

R-S Flip-Flops (NOR-Gatter) einfaches R-S-Flip-Flop: zwei rückgekoppelter NOR-Gatter 11/22/2018 Wojciech Gora

R-S Flip-Flops (NAND-Gatter) Alternativ: zwei rückgekoppelte NAND Gatter 11/22/2018 Wojciech Gora

Taktgesteuertes R-S Flip-Flop Reagiert zu einer bestimmten Zeit auf Eingangszustände Zeit wird vorgegeben durch Takt C Für C=0 ist R=S=1  alter Zustand Für C=1 verhält sich wie normales R-S Flip Flop (NAND) 11/22/2018 Wojciech Gora

Taktgesteuertes R-S Flip-Flop (Impulsdiagramm) 11/22/2018 Wojciech Gora

J-K Flip-Flops J steht für Jump , da wenn J=1  q=1 K steht für Kill , da wenn K=1  q(quer) =1 Fast immer flankengesteuertes Bauelement C kann für steigende Flanken (wechsel von 0 auf 1) und für fallende (wechsel von 1 auf 0) ausgelegt werden Zustand J=K=1 ist erlaubt! Falls J=K=1: Ausgänge tauschen Werte mit wirksamer Flanke  entspricht Verhalten von Toggle – Flipflops Deshalb: einsetzbar als Frequenzteiler und Zähler Für J=K=0 bleiben Werte erhalten 11/22/2018 Wojciech Gora

J-K Flip-Flop (Impulsdiagramm) 11/22/2018 Wojciech Gora

Klassifizierung von Flip-Flops - Zustandsgesteuerte FF reagieren ständig auf Spannungen, arbeiten asynchron  heißen Latches Flankengesteuerte FF können Zustand nur bei Taktflanke ändern (dazwischen bleiben Werte gespeichert) vorderflankengesteuert = Wechsel bei steigender Taktflanke rückflankengesteuert = Wechsel bei fallender Taktflanke Zweiflankengesteuerte FF heißen „Master-Slave-Flip-Flops“ Bestehen aus 2 hintereinander geschalteten Flip-Flops 11/22/2018 Wojciech Gora

Allgemeines Strenggenommen werden als „Flipflop“ nur flankengesteuerte Bausteine bezeichnet. Pegelgesteuerte Bausteine werden als „Latch“ bezeichnet. Namensgebung: Flipflop gibt lautmalerisch das Geräusch wieder, welches die Kippvorgänge in der Schaltung an einem Lautsprecher, der in einem der Ausgänge liegt, hervorrufen. 11/22/2018 Wojciech Gora

Quellen - Halbleiter-Schaltungstechnik Autoren: Ulrich Tietze & Christoph Schenk - Einführung in die Informatik der Elektrotechniker Autor: Peter Pepper - Wikipedia - Skript der Vorlesung: Grundlagen der Elektrotechnik II (Digitale Schaltungstechnik) Autor: Prof. Mönich - Skript der MSR Uni-Bremen: Grundlagen Digitale Messtechnik 11/22/2018 Wojciech Gora