Flipflop

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Ein Flipflop (engl. flip flop), auch bistabile Kippstufe oder bistabiles Kippglied genannt, ist eine elektronisches Bauelement, welches eine Schaltung beinhaltet, die zwei stabile Zustände einnehmen und diese speichern kann.

[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. Flipflop gibt lautmalerisch das Geräusch wieder, welches die Kippvorgänge in der Schaltung an einem Lautsprecher, der in einem der Ausgänge liegt, hervorrufen.

[Bearbeiten] Charakteristik

Ein Flipflop kann zwei mögliche stabile Zustände einnehmen. 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 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 (Arbeitsspeicher) und Mikroprozessoren. Flipflops sind Grundbausteine für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik von heute, einschließlich der Computer.

[Bearbeiten] Klassifizierung der Flipflop-Typen

[Bearbeiten] Zustands- und flankengesteuerte Flipflops

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 D-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.

[Bearbeiten] RS- und D-Latch/Flipflop

RS-Flipflops (auch SR-Flipflop oder NOR-Basis-Flipflop genannt) ist die einfachste Art von 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. Dieses würde zunächst zu der Belegung 0 für beide Ausgänge führen. Ein Problem entsteht jedoch, wenn in diesem Zustand die Eingänge auf R = S = 0 gesetzt würden. Die Veränderung der Ausgangsbelegung wäre in diesem Fall nicht reproduzierbar. Daher muss die Belegung R = S = 1 vermieden werden.

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. Hinweis: Wahrheitstabelle entspricht einem RS-FF in NOR-Technologie! Um die gleiche Tabelle auch für NAND-Technologie nutzen zu können, werden die Eingänge dort mit /R und /S bezeichnet, siehe Ersatzschaltbild

[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. Hier ist jetzt der Zustand J = K = 1 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.

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

[Bearbeiten] T-Flipflop

Wenn die beiden Eingänge des JK-FF 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.

[Bearbeiten] Verwendung von Flipflops

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

Auch die SRAM-Speicherzelle besteht aus einer Flipflop-Schaltung.

[Bearbeiten] Frequenzteilerschaltung

Flipflops können auch verwendet werden um eine Frequenz zu verlangsamen.
Beispiel:
Aus 5Hz sollen 1Hz werden. Hierfür würde man einen Modulo-5 Zähler brauchen, der Zähler wird beim Zählstand 5 zurückgesetzt.

Zeitablaufdiagramm:

Q3 ist hier der Ausgangstakt T2. Die Grün eingezeichteten Schaltvorgänge dauern in Wirklichkeit nur wenige Millisekunden. Nach dem 5. Takt ist eine Sekunde vergangen.

Schaltung mit T-FFs:

Für den Modulo-5 Zähler ist ein Rücksetzten beim Zählerstand 5 nötig. Das heisst, sobald der Zähler 101 (v.R.n.L. ) zeigt, wird er zurückgesetzt. Dies geht indem Q1 UND Q3 mit einem UND-Gatter verbunden wird, dessen Ausgang mit den Rücksetzeingängen verbunden wird.

Bei dieser Schaltung ist das Impuls-Pause-Verhältnis
D.h. in 5 Abschnitten ist ein Abschnitt Impulsdauer und 4 Abschnitte sind Impulspause.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Flipflop Spickzettel

[Bearbeiten] Weblinks

• Flipflops interaktiv
• Interaktive Simulation von verschiedenen Flipflop-Typen mit dem Hades simulation framework

• Flipflop in der deutschen Wikipedia