Flipflop
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Ein Flipflop (en: flip-flop), auch bistabile Kippstufe oder bistabiles Kippglied genannt, ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen und diese speichern kann.
Das Flipflop ist (betrachtet man nicht nur Aufbau, sondern auch Komplexität der Ansteuerung) die einfachste elektronische Schaltung, die die Informationsmenge eines Bits speichern kann. Es ist fundamentaler Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen (sequentieller Schaltkreise) – von der Quarzuhr bis zum Mikroprozessor. Daneben ist es in vieltausend- bis millionenfacher Ausführung in Computerspeicherchips (statischen Speicherbausteinen) enthalten.
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[Bearbeiten] 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 (*).
[Bearbeiten] Charakteristik
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: gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset). Um das Flipflop (RS-Flipflop) zu setzen, muss am Eingang „set“ 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 Eingang „reset“ gelegt wird. Andere Flipflop-Schaltungen (D-Flipflops) haben andere Eingänge: Um den Zustand des Flipflops zu ändern, muss am Eingang „Takt“ (clock) ein Signal angelegt werden. Abhängig vom Signal am Eingang „Daten“ (data) wird es dann gesetzt oder zurückgesetzt. Diese Zustände können beispielsweise jeweils als eine binäre Ziffer interpretiert werden (0 oder 1).
Durch das Zusammenschalten mehrerer Flipflops entstehen komplexe Systeme wie Zähler (asynchron oder synchron), Datenspeicher (Halbleiterspeicher) und Mikroprozessoren. Flipflops sind Grundbausteine für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik von heute, einschließlich der Computer.
Siehe auch Kippstufe, Multivibrator
[Bearbeiten] Klassifizierung der Flipflop-Typen
[Bearbeiten] Taktzustands- und taktflankengesteuerte Flipflops
Flipflops lassen sich in zustandsgesteuerte (auch "pegelgesteuert") und flankengesteuerte Flipflops einteilen. Zustandsgesteuerte Flipflops reagieren während der gesamten aktiven Taktphase auf die Spannungen, die angelegt werden. Sie arbeiten asynchron. Zustandsgesteuerte Flipflops werden auch Latches genannt.
Taktflankengesteuerte Flipflops können den Zustand nur an einer Taktflanke ändern. Zwischen den Flanken bleibt der vorher eingestellte Zustand gespeichert und ändert sich, im Gegensatz zu taktzustandsgesteuerten Flipflops, auch dann nicht, wenn sich die Eingangsspannungen ändern. Man unterscheidet vorderflankengesteuerte (Wechsel bei steigender (positiver) Taktflanke) und rückflankengesteuerte (Wechsel bei fallender (negativer) 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.
Strenggenommen werden als „Flipflop“ nur flankengesteuerte Bausteine bezeichnet. Pegelgesteuerte Bausteine werden als „Latch“ bezeichnet.
[Bearbeiten] 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.
Besondere Aufmerksamkeit, vor allem beim Schaltungsentwurf, muss der Eingangsbelegung gewidmet werden, bei der sowohl R- als auch S-Eingang aktiv sind (R = S = 1 beim RS-Flipflop aus NOR-Gattern bzw. R = S = 0 beim RS-Flipflop aus NAND-Gattern). Dabei nimmt das zustandgesteuerte Flipflop einen dritten Zustand an, bei dem beide Ausgänge gleichen Pegel führen und der nicht gespeichert werden kann. Ein gleichzeitiger bzw. annähernd gleichzeitiger Wechsel beider Eingänge zum inaktiven Pegel führt zu einem undefinierten metastabilen Zustand (race condition), bei dem das Flipflop, salopp formuliert, nicht weiß, in welchen Zustand es wechseln soll. Er kann im Prinzip beliebig lange andauern und muss deshalb vermieden werden. Ein flankengesteuertes RS-Flipflop kann durch (annähernd) gleichzeitiges Takten beider Eingänge ebenfalls in einen undefinierten Zustand gelangen. Man kann jedoch einen Eingang dominierend schalten, und somit den dritten Zustand vermeiden. Diese Flipflops werden am dominierenden Eingang mit einer 1 nach dem Buchstaben gekennzeichnet.
| Name | Schaltsymbol | Impulsdiagramm | Ersatzschaltbild | Wahrheitstabelle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| RS-Flipflop mit Taktflankensteuerung |
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Ein RS-Flipflop mit nur einem Eingang, der gleichzeitig Setz-Eingang und negierter Rücksetz-Eingang ist, wird D-Flipflop (D für Delay) genannt oder Latch. Bei jedem Takt (C für Clock) nimmt das Flipflop den Zustand an, der am Eingang anliegt. Der Vorteil des D-Flipflops ist, dass der illegale Zustand R = S = 1 vermieden wird. Jedoch sowohl das RS- als auch D-Flipflop haben den Nachteil, dass der Eingangswert sofort am Ausgang sichtbar wird, solange der Takt vorliegt (C = 1).
[Bearbeiten] 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 |
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Viele der erhältlichen Flipflops vereinen verschiedene Bauformen in sich und sind so vielseitiger einsetzbar.
[Bearbeiten] T-Flipflop
Wenn die beiden Eingänge des JK-FF mit logisch "1" verbunden werden, ergibt sich ein T-Flipflop (T für en.: toggle - Hin- und herschalten). Es funktioniert ähnlich wie ein Druckkugelschreiber oder ein Stromstoßrelais (Stromstoßschalter). Wegen der oben schon erwähnten Eigenschaft des mit halber Frequenz des Taktsignals wechselnden Ausgangspegels dienen diese Flipflops vor allem als Frequenzteiler und Zähler. Man verwendet sie auch, um ein Rechtecksignal zu gewinnen, welches ein Tastverhältnis von exakt 1:1 hat.
| bgc | Q |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 1 | 1 |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
[Bearbeiten] Schaltzeichen verschiedener Flipflop-Typen
[Bearbeiten] Verwendung von Flipflops
Flipflops können als 1-Bit-Speicher betrachtet werden. Aus ihnen können Register verschiedener Wortbreiten zusammengesetzt werden, wie sie beispielsweise in Mikroprozessoren Verwendung finden.
Auch die einzelnen Speicherzellen von statischen RAMs bestehen aus Flipflop-Schaltungen. Bei Dynamischem RAM hingegen besteht jede einzelne Speicherzelle nur aus einem Kondensator und einem Transistor.
