トランジスタフリップフロップ：バイナリデータを格納するためのシーケンシャル論理回路

コンピュータ、通信機器、および他の同様のタイプのシステムに見られるようなデジタル回路を学習または作成することに興味がありますか？最初に確認するのは、トランジスタのフリップフロップです。

フリップフロップの基本的な構成要素は論理ゲートであり、ブール関数を実装する理想的な電子モデルです。これらの論理ゲートには、コンデンサや抵抗などのいくつかのコンポーネントが含まれている場合がありますが、それらは主にトランジスタです。

以下に、さまざまなタイプのフリップフロップ回路とその配線図について詳しく説明します。プロジェクト用にそれらを作成する方法を見つけるために読んでください。

フリップフロップとは何ですか？

フリップフロップは、何らかの形の内蔵メモリを備えた順序論理回路です。したがって、現在の入力、以前の入力、および（または）以前の出力からのデータを使用して、システムを実行できます。

この回路は、2つの安定状態（論理レベル0または1）をもたらすいくつかの論理ゲートで構成されており、フリップフロップを双安定マルチバイブレータにします。

さまざまなタイプの論理ゲート

出典：ウィキメディアコモンズ。

ラッチ回路とフリップフロップ回路の違いは、後者がエッジトリガーされることです。エッジトリガーとは、デジタル回路の動作を調整するための制御信号があることを意味します。制御入力は通常、専用のクロック信号であるため、同期システムになります。

ただし、ラッチ回路はレベルトリガーされます。つまり、入力が変化すると出力も変化する可能性があります。それらをアクティブにするクロックパルスまたはクロックイベントがないため、非同期システムです。

ラッチはフリップフロップ回路に不可欠な要素であり、停電が発生するとデータを失う揮発性メモリ要素であることに注意してください。

フリップフロップの種類

フリップフロップには4つのタイプがあり、それぞれ回路設計と真理値表が異なります。

SRフリップフロップ

SRフリップフロップの名前は、S（セット）およびR（リセット）入力から取得されます。

クロスカップリングされたNANDゲートを備えたクロックSRフリップフロップ回路。

出典：ウィキメディアコモンズ。

これは、4つの中で最も一般的に使用されるフリップフロップであり、回路が最も単純で、SRラッチと同様の真理値表を備えています。

SRラッチ真理値表。

JKフリップフロップ

JKデジタル回路は、SとRが同時にハイにならないようにすることで、SRフリップフロップの設計を改善します。そうすることで、禁止された状態になる可能性を排除します。

NANDゲートを使用したJKフリップフロップ回路。

出典：ウィキメディアコモンズ。

次の真理値表があります。

JKフリップフロップの真理値表。

Dフリップフロップ

「データ」または「遅延」フリップフロップとも呼ばれるこの回路は、1つの入力ピン（D）を備えた1ビットのメモリセルです。これは、デジタル電子システムでレジスターとカウンターを作成するために最も一般的に使用されます。

NOTゲートと4つのNANDゲートを使用したDフリップフロップ回路。

出典：ウィキメディアコモンズ。

回路の出力はクロックの立ち上がりエッジでのみ変化するため、この真理値表が得られます。

Dフリップフロップの真理値表。

Tフリップフロップ

Tフリップフロップは、JKフリップフロップの単一入力バージョンであり、2つのフィードを接続してT入力を形成します。 Tは、回路がその状態を補完できるため、Toggleの略です。

NANDゲートを使用したTフリップフロップ回路

出典：ウィキメディアコモンズ。

回路はこの真理値表を提示します。

Tフリップフロップの真理値表。

フリップフロップのアプリケーション

• カウンター
• 周波数分割器
• ストレージレジスタ
• シフトレジスタ
• ラッチ
• メモリ
• バウンス除去スイッチ
• データストレージ
• データ転送
• 登録

トランジスタフリップフロップ回路

論理ゲートはフリップフロップの主要な要素ですが、電子機器の論理を表すモデルです。実際の電気回路には、この電流の流れを制御するための交差結合コンポーネントがあります。真理値表の値は、2進数の1（高電圧）または0（低電圧）のいずれかを示します。

これらには、トランジスタ、抵抗、コンデンサなどのコンポーネントが含まれており、最も一般的な3つの回路を作成します。

1トランジスタフリップフロップ

他の従来のフリップフロップと同様に、シングルタイプのトランジスタは1ビットのデータを格納し、セットとリセットの入力のセットに加えて、状態を安定に保つためのフィードバックループを備えています。

トランジスタ（NPN）とは別に、この回路は2つのダイオード、2つのコンデンサ、6つの抵抗、およびLEDのセットを備えています。

1トランジスタフリップフロップの回路図。

上の図から、C2への供給電圧をアクティブにすることで回路を設定できます。この5Vパルスは、トランジスタのベース電圧を上げ、クロック信号を増幅します。 C1とD1は出力信号を整流し、結果のDC電圧をC2に表示します。

回路は、フリップフロップをオン状態に保つ正のフィードバックループを維持します。 D2は、トランジスタが飽和するのを防ぎ（電流が多すぎる）、正のフィードバック信号を排除する連続的なオン状態を防ぎます。

回路をオフにするには、C2を放電するか、クロック信号を短時間削除します。クロック信号を再度接続しても、6K8と3K3の抵抗とコンデンサC2が高入力を大幅に減衰させるため、フリップフロップはオフのままになります。

トランジスタを使用したDフリップフロップ回路

Dタイプのフリップフロップ回路には、配線のベースとしてゲート付きDラッチがありますが、クロック回路を追加して、エッジトリガーのDフリップフロップにします。

Dフリップフロップトランジスタの回路図。

トランジスタ、コンデンサ、および3つの抵抗で構成される図の下のセクションは、クロックメカニズムを形成します。

外部クロックがベース電圧を提供し、トランジスタは正のベース電圧がある場合にのみ入力データを送信できます。

抵抗R6とコンデンサC1は、方形波クロック信号を鋭いスパイク信号に変換して、立ち上がりエッジを識別します。

全体として、ラッチセクションには2つのトランジスタと4つの抵抗があり、このクロックセクションから、電流入力は回路内のラッチトランジスタに向かいます。

出力Qが論理0の場合、クロックピンとデータ入力ピンに正の信号を印加できます。このアクションにより、保存されているデータまたは状態が1つに変更されます。

クロック入力はトランジスタのベースを充電し、ベースをコレクタ接合に順方向にバイアスします。したがって、Data Inの正の信号が入ると、下からコレクター、そしてラッチに小さな電流が流れます。

電流は最終的にラッチをトリガーし、Qでその状態を1に変更します。ロジック0を適用するには、データ入力ピンを接地すると、Qが0に戻り、このビットが格納されます。

ディスクリートトランジスタを使用したTフリップフロップ

トグルフリップフロップはデータフリップフロップと非常に似ていますが、データ入力を使用する代わりに、ピンは相補出力Q’から信号を取得します。

Tフリップフロップトランジスタの回路図

目標は、出力が高いときに低いデータ入力を取得し、作業が低いときに高いデータ入力を取得することです。したがって、Qは方程式に不可欠です。

ただし、ディスクリート回路であるため、トランジスタベースをコレクタに接続するのと同等であるため、システムは動作しません。この問題は、直列に接続された追加のコンデンサC2と出力Qに接続された抵抗R8を導入することで解決できます。

抵抗がコンデンサを放電している間、コンデンサは入力信号と出力信号の間に遅れを生じます。これら2つにより、トランジスタの出力が期待どおりになり、状態が継続的にシフトします。

概要

結論として、トランジスタフリップフロップは、メモリ機能が組み込まれているため、ほとんどの電子回路およびコンピュータ回路の基本的な構成要素です。

プロジェクトでそのような回路が必要な場合は、上記のコンポーネントを購入してから、自分でユニットを構築する方が安価です。

これらのコンポーネントと回路のセットアップに必要なPCBの詳細については、当社までお問い合わせください。