トランジスタ・フリップフロップ: 信頼性の高いバイナリデータ保存のための基本シーケンシャルロジック回路

コンピュータ、通信機器、その他類似システムに見られるデジタル回路の学習や製作に興味がありますか？ 最初に見るべきはトランジスタ・フリップフロップです。

フリップフロップの基本構成要素はロジックゲートであり、ブール関数を実装する理想化された電子モデルです。これらのロジックゲートにはコンデンサや抵抗などのコンポーネントが含まれる場合がありますが、主にトランジスタで構成されます。

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を詳述しました。プロジェクトでそれらを作る方法を見つけるために読み進めてください。

フリップフロップとは？

フリップフロップは、何らかの形式の内蔵メモリを持つシーケンシャルロジック回路です。したがって、現在の入力、過去の入力、および（または）過去の出力からのデータを使用してシステムを動作させることができます。

この回路は、2つの安定状態（ロジックレベル0または1）をもたらす複数のロジックゲートで構成され、フリップフロップをバイステーブルマルチバイブレータにしています。

ラッチとフリップフロップ回路の違いは、後者がエッジトリガ型であることです。エッジトリガとは、デジタル回路の動作を調整する制御信号を持つことを意味します。制御入力は通常、専用のクロック信号であり、これにより同期式システムとなります。

しかし、ラッチ回路はレベルトリガ型であり、入力が変化すれば出力が変わる可能性があります。クロックパルスやクロックイベントでアクティブ化されないため、非同期式システムです。

ラッチがフリップフロップ回路の不可欠な要素であり、電源障害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は注目に値します。

フリップフロップのタイプ

4種類のフリップフロップがあり、それぞれ異なる回路設計と真理値表を持っています。

SRフリップフロップ

SRフリップフロップは、そのS（セット）とR（リセット）入力から名付けられています。

4種類の中で最も一般的に使用され、最もシンプルな回路を持ち、SRラッチと類似した真理値表を持ちます。

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良し、禁止状態の可能性を排除します。

以下の真理値表を持ちます。

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しても知られ、この回路は1つの入力ピン（D）を持つ1ビットメモリセルです。レジスタやカウンタの作成にデジタルエレクトロニクスシステムで最も一般的に使用されます。

回路の出力はクロックの立ち上がりエッジでのみ変化し、以下の真理値表になります。

Tフリップフロップ

Tフリップフロップは、2つの入力を接続してT入力を形成するJKフリップフロップの単一入力版です。Tはトグルを意味し、回路がその状態を反転できるためです。

この回路は以下の真理値表を示します。

フリップフロップの応用

• カウンタ
• 周波数分周器
• 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
• データ保存
• データ転送
• レジスタ

トランジスタ・フリップフロップ回路

ロジックゲートはフリップフロップの主要要素ですが、エレクトロニクスにおけるロジックを表すモデルです。実際の電気回路は、電流の流れを制御するためにクロス結合されたコンポーネントを持ちます。それらの真理値表の値は、バイナリ数字1（高電圧）または0（低電圧）を示します。

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、最も一般的な3つの回路の作り方を紹介します。

1トランジスタ・フリップフロップ

他の従来型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セット、および状態を安定させるフィードバックループを持ちます。

トランジスタ（NPN）の他に、この回路には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が含まれます。

上図から、C2に電源電圧を印加することで回路をセットできます。この5Vパルスによりトランジスタのベース電圧が上昇し、クロック信号が増幅されます。C1とD1が出力信号を整流し、その結果として得られるDC電圧がC2に現れます。

この回路は、フリップフロップをON状態に保つ正のフィードバックループを維持します。D2はトランジスタの飽和（過剰な電流）を防ぎ、それによって正のフィードバック信号を消失させる連続ON状態を防止します。

回路をオフにするには、C2を放電するか、短期間クロック信号を取り除きます。クロック信号を再接続しても、6.8kΩと3.3kΩの抵抗とコンデンサC2が高入力を大きく減衰させるため、フリップフロップはオフのままです。

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・フリップフロップ回路は、その配線のベースとしてゲートドDラッチを持ち、クロック回路を追加してエッジトリガ型Dフリップフロップにしています。

トランジスタ、コンデンサ、3つの抵抗で構成される図の下部セクションがクロック機構を形成します。

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ときのみ入力データを伝送できます。

抵抗R6とコンデンサC1が方形波クロック信号を鋭いスパイク信号に変換し、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が回路内のラッチトランジスタに向かいます。

出力Qがロジック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、格納データまたは状態が1に変わります。

クロック入力がトランジスタベースを充電し、ベース-コレクタ接合を順方向バイアスします。したがって、データ入力の正の信号が入ってくると、ボトムからコレクタへ、そしてラッチへと小さな電流が流れます。

電流は最終的にラッチをトリガし、Qで状態を1に変更させます。ロジック0を適用するには、データ入力ピンをグラウンドに接続し、Qを0にシフトバックしてこのビットを格納します。

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、データ入力の代わりに、ピンが相補出力Q'から信号を取得します。

出力がハイのときにローのデータ入力を、出力がローのときにハイのデータ入力を得ることが目標です。したがって、Q'が方程式で重要になります。

しかし、ディスクリート回路であるため、システムは動作しません。これはトランジスタのベースをコレクタに接続することと同等だからです。この問題は、直列に追加のコンデンサ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。

コンデンサが入力と出力信号の間にラグを作り、抵抗がコンデンサを放電します。これら2つにより、トランジスタ出力が期待通りに連続的に状態を切り替えることを保証します。

まとめ

結論として、トランジスタ・フリップフロップは内蔵メモリ機能により、ほとんどの電子およびコンピュータ回路の基本構成要素となっています。

プロジェクトにこのような回路が必要な場合、上記で説明したコンポーネントを購入して、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や、回路をセットアップするために必要なPCBについて詳しく知りたい場合は、お気軽にお問い合わせください。