Flip - Flops Multivibratoren

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1 Flip - Flops 7-7 Mulivibraoren Mulivibraoren sind migekoppele Digialschalungen. Ihre Ausgangsspannung spring nur zwischen zwei fesen Weren hin und her. Mulivibraoren (Kippschalungen) werden in bisabile, monosabile und asabile Mulivibraoren eingeeil. Monosabile Mulivibraoren generieren nach einem Triggerimpuls am Ausgang einen einzelnen Impuls mi einer definieren Impulsdauer. Man bezeichne diese Mulivibraoren als Mono-Flops. Bisabile Mulivibraoren halen ihren Ausgangszusand (High, Low) so lange fes, bis sie durch exerne Triggersignale zum mschalen gezwungen werden. Dieser Zusand bleib dann besehen, bis erneu eine Triggersignalkonfiguraion den Mulivibraor zum Verändern seines Zusandes am Ausgang anreg. Typische bisabile Mulivibraoren sind Flip-Flops und chmi-trigger. Asabile Mulivibraoren haben keinen sabilen Zusand am Ausgang. Es wird kein exernes Triggersignal am Eingang des Mulivibraors benöig. ie besizen zwei quasisabile Zusände (High, Low) zwischen denen die Ausgangsspannung hin und her oszillier. Man bezeichne asabile Mulivibraoren auch als Oszillaoren, die mi digialen Grundschalungen realisier werden. Die prinzipielle Funkionsweise eines Mulivibraors kann mi Hilfe einer erienschalung von zwei Inverern, die über zwei Koppelnezwerke K und K2 mieinander verbunden sind, erklär werden. u e K K2 u a2 Die eigung der chalcharakerisik (siehe Abschni 4.4, 4.5 und 6.2) und dami die pannungsversärkung im insabilen Bereich von Inverern

2 7-2 Mulivibraoren is >. chale man zwei Inverer in erie (ohne Koppelnezwerke), so wird die Eingangsspannung ue durch beide Inverersufen versärk und ri ohne Phasendrehung (Mikopplung) am Ausgang des zweien Inverers auf (ua2 >> ue). Dami wird eine regeneraive Wirkung auf das Eingangssignal ue erreich. Die eigenliche Funkion eines Mulivibraors wird durch die Ar der Koppelnezwerke K, K2 fesgeleg. Besehen beide Nezwerke aus erienwidersänden oder Durchverbindungen, dann erhäl man einen bisabilen Mulivibraor. Wenn eines der beiden Nezwerke eine erienkapaziä enhäl, werden Gleichspannungen nich mehr versärk. Nur pannungsänderungen, deren zeilicher Verlauf durch die Ladezeikonsanen der erienkondensaoren fesgeleg is, können versärk werden. Diese zeiliche Vorgabe kann als inerne Triggerung inerpreier werden. Monosabile Mulivibraoren haben ein kapaziives Koppelnezwerk. Asabile besizen zwei kapaziive Nezwerke. 7. Flip - Flops Die einfachse Form eines bisabilen Mulivibraors kann durch die erienschalung von zwei Inverern mi einer ückkopplung des Ausganges des zweien Inverers auf den Eingang des ersen Inverers (Mikopplung) erreich werden (K, K2 sind Durchverbindungen). I I 2 Zur Verdeulichung der Funkion wird die ückkopplung des Ausganges von Inverer 2 auf den Eingang von I unerbrochen.

3 Flip - Flops 7-3 I I I2 O Am Eingang des ersen Inverers wird die Eingangsspannung I angeleg. Am Ausgang des zweien Inverers resulier dann die pannung O. m die chalcharakerisik nich verändern zu müssen wurde angenommen, daß die Eingangswidersände der Inverer hochohmig sind. Dami erhäl man folgende chalcharakerisik der in erie geschaleen Inverer: OH O 0=I sabil B insabil OL A sabil I Die eingezeichnee Gerade ensprich O = I und ensprich der geschlossenen ückkopplung (Mikopplung). Bei einer pannungsversärkung > und Mikopplung finde der bisabile Mulivibraor bei B keinen sabilen Arbeispunk. Die ichung der kleinsen pannungsänderung bei B leg fes, ob der Mulivibraor in A oder seinen sabilen Zusand finde.

4 7-4 Mulivibraoren OH O B OL A I In A und is die pannungsversärkung der chalung sehr gering (äigung). Daher behäl der bisabile Mulivibraor, wenn er einen Zusand einmal erreich ha (A oder ), diesen bei, d. h. er speicher diesen Zusand. Für einen prakischen Berieb benöig der bisabile Mulivibraor ein Triggernezwerk, das die Einsellung eines definieren Zusandes, der gespeicher werden soll, erlaub. 7.. Das -Flip-Flop Wenn man an elle der Inverer zwei NO-Gaer mi zwei Eingängen rückkoppel, erhäl man ein -Flip-Flop. Es besiz die komplemenären Ausgänge und und die beiden Triggereingänge (e) und (ese) Leg man die folgenden komplemenären Eingangszusände fes, so erhäl man: = + ( n+ ) ( n+ ) = + ( n ) ( n )

5 Flip - Flops 7-5 =, = 0 = + = + = 0 = + = 0 + = wird auf gesez (ezen) = 0, = = + = 0 + = = + = + = 0 wird auf 0 gesez (ücksezen) Mach man = = 0, so bleib der Ausgangszusand erhalen (peichern). Für = = werden beide Ausgänge gleichzeiig 0. Der Ausgangszusand is jedoch nich mehr definier, wenn und anschließend gleichzeiig Null werden. Deshalb is = = in der egel nich zulässig (verboen). Wahrheisabelle: (n+) (n+) (n) (n+) peichern ezen ücksezen Verboen Übergangsfunkion des -Flip-Flop ( n + ) = ( n + ) ( n ) + ( n + )

6 7-6 Mulivibraoren Nachfolgend is ein -Flip-Flop in MO Technologie dargesell. NO V NO2 ( n + ) ( n+ ) V V 0 0 V V n n Wie bereis in der Einführung angedeue, kann ein -Flip-Flop auch mi zwei migekoppelen NAND Gaern realisier werden. Es is zu beachen, daß die Triggereingänge jez durch die negieren - und - Funkionen gebilde werden. n n : lock = + ( n+ ) ( n )

7 Flip - Flops Das JK-Flip-Flop Die Nacheile des undefinieren Zusandes bei = = können durch zwei zusäzliche AND Gaer und ensprechende ückkopplungen vermieden werden. Der zusäzliche lock-eingang () ermöglich die ynchronisaion der Ausgangszusände mi dem lock-ignal. J K = J + = K + J K J K Eine Version aus nur NAND-Gaern is nachfolgend dargesell. J K Die Eingänge J und K werden ynchroneingänge genann. Die ersen drei eihen der Wahrheisabelle simmen mi dem -Flip-Flop überein. Jedoch, wenn J und K gleichzeiig im High Zusand sind, wird der Ausgang nach dem lock-impuls inverier. Is der lock-impuls länger als die Gaer-Verzögerungszei, dann pendel (oggle) der Ausgang zwischen Low und High. Da moderne Technologien meis kleine Gaerverzögerungszeien verglichen mi dem lock-impuls aufweisen, is dies ein erheblicher Nacheil.

8 7-8 Mulivibraoren J K oggeln 7..3 Das Maser-lave-JK-Flip-Flop Durch die Kaskadierung von zwei JK-Flip-Flops (Maser-lave) kann dieser Nacheil vermieden werden. PEET Maser lave J K LEA lock: u a b c d a : M- gerenn b : M neu akiv. c : J/K gerenn d : übernimm Ein posiiver lock-impuls akivier den Maser. Er wird in inverierer Form dem lave zugeführ. Berache man den lock-impulsverlauf, so

9 Flip - Flops 7-9 erkenn man, daß zum Zeipunk a das lave- vom Maser-Flip-Flop isolier wird. Das lave-ff behäl seinen bisherigen Zusand bei. Im Zeipunk b wird das Maser FF-akivier. Es veränder in Abhängigkei von J, K und seinen Zusand. Bei c wird das Maser-NAND-FF von den Eingängen J,K und isolier. Es behäl diesen Ausgangszusand unabhängig von den Eingängen bei. Im Zeipunk d wird die Informaion in das lave -FF übernommen. Es sell sich der neue Ausgangszusand ein. Der lock-impuls muß länger als die Verzögerungszei des Maser-FF sein. Es exisieren keine weieren Einschränkungen für die Pulsbreie des locks, wenn die J- und K- Pegel in diesem Zeiinervall konsan sind. Mi dem PEET und LEA Eingang kann das FF unabhängig vom lock-impuls gesez oder rückgesez werden. Diese Eingänge dominieren die lock- oder ynchron-eingänge Das Delay Flip-Flop Der Zusand des D-Flip-Flop nach dem lock-impuls is gleich dem Eingangszusand (D) vor dem lock-impuls. Es liefer eine Verzögerung, die sichersell, daß der Ausgangszusand sich nich änder, bis ein lock-impuls am Flip-Flop anlieg. Man kann das D-Flip-Flop aus einem -FF, einem Inverer und zwei AND Gaer aufbauen. D FF 0 D

10 7-0 Mulivibraoren Das nachfolgende Impulsdiagramm verdeulich die Funkionsweise des D-Flip-Flops. D se rese 7.2 Der MO chmi - Trigger Der chmi-trigger verwandel ein verrausches oder sich langsam änderndes ignal in ein digiales ignal. Die prinzipielle chalcharakerisik is nachfolgend dargesell: O OH OL T- T+ I I IH IL O OH OL T+ T-

11 Der MO chmi - Trigger 7- Bei der pannung T+ schale der chmi-trigger von Low auf High. Bei einer Eingangsspannung von T- von High auf Low. Ein in MO Technologie realisierer inverierender chmi-trigger beseh aus drei inverierenden ufen: einem chmi-trigger-chalkreis, Buffer und Treiber. chmi-trigger-chalkreis Buffer Treiber V P V V P2 P3 I N2 N3 0 N V T+ = n + Dn T- =I Dp I - I p I I = O V: Die beiden p-kanal-transisoren P und P2 sind leiend. ie führen aber einen vernachlässigbar kleinen Drainsrom, weil die beiden n-kanal-transisoren N und N2 gesperr sind. Dami is Vx = V, P3 is gesperr und is N3 leiend. Er wirk als ource-folger. Nach den zwei Inverersufen is das Ausgangssignal O = OH = V. Weil N3 leiend is sink die Drainspannung von N auf V-n. I = n: Wenn die Eingangsspannung sn erreich, wird N leiend und die Drainspannung von N fäll. I = T+: Wenn die Eingangsspannung die obere Triggerschwelle erreich, wird N2 leiend. I = T+ = G2 + DN = n + DN

12 7-2 Mulivibraoren Da N und N2 leiend sind, fäll Vx auf 0V, N3 sperr und P3 wird leiend. Dadurch nimm die Drainspannung von P2 ab und sperr den Transisor. Der Ausgang des chmi-triggers nimm den Zusand O = OL = 0V ein. Beim Übergang von I = V auf I = 0V reen ähnliche Abläufe im oberen Teil der chalung (Transisoren P, P2 und P3) auf. Bei I = V sind die Transisoren P und P2 gesperr. N und N2 sind leiend. Wegen Vx = 0V is N3 gesperr und P3 leiend. Die Ausgangsspannung am chmi-trigger is 0V. Das ourcepoenial von P is V. Wenn die Eingangsspannung auf V - p abfäll, wird P leiend. Erreich I die unere Triggerschwelle: T- = DP - p so wird P2 leiend. Wenn P und P2 leiend sind, seig Vx auf V an und die Transisoren N3 und P3 werden gesperr. Die Ausgangsspannung am chmi-trigger is V. Für einen symmerischen MO Enwurf (Kn/Kn3 = Kp/Kp3 = k2 und n = p = ) ergib sich für die Hyseresis des chmi-triggers: H = T+ - T- = [(-k) V + 2k ] / ( + k) Die Hyserese des MO-chmi-Triggers is von der Versorgungsspannung abhängig. Das nachfolgende Diagramm verdeulich dies. T+ T- /V/ T+ T V / V

13 Der monosabile Mulivibraor (Mono-Flop) Der monosabile Mulivibraor (Mono-Flop) Ein monosabiler Mulivibraor (Kippschalung) besiz nur einen sabilen Zusand. Der zweie Zusand is nur für eine besimme Zei (abhängig von der Dimensionierung) sabil. Nach Ablauf dieser Zei kipp die chalung wieder von alleine in den sabilen Zusand zurück. Ein monosabiler Mulivibraor kann mi zwei NO-Gaern aufgebau werden. Mi dem Eingang am ersen Gaer wird der monosabile Mulivibraor gerigger. p V Für < o fließ kein rom durch den Widersand. Dami is up( < o) = V. Die Ausgangsspannung am zweien Gaer is 0V. Dami sind beide Eingänge des ersen Gaers auf LOW und die Ausgangsspannung des ersen Gaers beräg (<o) = V. Die pannung über dem Kondensaor is dann 0V. Mi Hilfe eines Triggerimpulses ( > ) bei = o geh die pannung von V auf den LOW Pegel über. Während des pannungssprunges fäll über dem Kondensaor keine pannung ab. Dami ergib sich die pannung am Ausgang des ersen Gaers im Zeipunk =o zu (=o) = [ON/(+ON)] V. Is der Ausgangswidersand des ersen Gaers im LOW Zusand ON sehr viel kleiner als, so is die Ausgangsspannung (=o) annähernd gleich 0V. Der Kondensaor wird über geladen und die pannung up seig exponeniell an: up(>o) = V ( - exp-[(-o)/([+on] )] Wenn p die chwellenspannung s erreich, schale das zweie Gaer auf LOW um. Da der Triggerimpuls nich mehr anlieg, geh der Ausgang des ersen Gaers auf HIGH. Die Impulsbreie T ergib sich zu: T = [(+ON) ] ln[v/(v-)]

14 7-4 Mulivibraoren Mi =V/2 und >>ON ergib sich: T = 0,69. Logikpegel für nachfolgendes Impulsdiagramm: = = 0 = = 0 V = 5 V = 5 V = 0 V = 5 V = 0 V Impulsdiagramm: /V/ 5 - /V/ 5 - /V/ p 5 - /V/ 5-5 V V + Die Eingangsspannung rigger unabhängig von der Länge des Triggerimpulses einen Ausgangsimpuls mi einer definieren Impulsbreie, wenn der Triggerimpuls kleiner als der Ausgangsimpuls is.

15 Der asabile Mulivibraor Der asabile Mulivibraor Die einfachse Form eines asabilen Mulivibraors ergib sich durch die Hinereinanderschalung von einer ungeraden Anzahl von Inverern (n) und der ückkopplung des Ausganges des lezen Inverers auf den Eingang des ersen. Die Frequenz des Ausgangssignales ergib sich aus der Verzögerungszei eines Gaers pd: f = 0.5 / (n pd) pd Da jedoch die Verzögerungszei eines MO - Gaers von der Temperaur, Versorgungsspannung und kapaziiven Belasung abhäng, is diese Anordnung für sabile Oszillaoren nich geeigne. Ein einfacher und relaiv sabiler Oszillaor kann mi zwei NO - MO- Gaern realisier werden. = = u O u O2 u X = 0V

16 7-6 Mulivibraoren Der zeiliche Verlauf der pannungen am Ausgang des ersen Gaers uo, der pannung am Ausgang des zweien Gaers uo2 und der pannung ux is nachfolgend dargesell. Es wurde bei den nachfolgenden Berachungen vorausgesez, daß die Verzögerungszeien der Gaer gleich und die Ausgangswidersände relaiv klein sind. : chalspannung u /V/ O 5 - u O2 /V/ 5 - pd u /V/ x V + V - - V Das zweie NO-Gaer agier als Inverer. Dami sind die pannungen uo und uo2 komplemenär zueinander. Angenommen ux(o) befinde sich unerhalb des Weres der chalspannung des ersen Gaers. Der Ausgang des ersen Gaers befinde sich auf HIGH und der des zweien auf LOW. ux seig exponeniell an, da der Kondensaor über geladen wird. Erreich ux zum Zeipunk den Wer der chalspannung

17 Der asabile Mulivibraor 7-7, so schale nach einer Gaerverzögerungszei von pd das erse Gaer von HIGH auf LOW (Zeipunk 2) um. Nach einer weieren Gaerverzögerungszei pd geh dann das zweie Gaer am Ausgang von LOW nach HIGH (Zeipunk 3). Da der pannungsabfall über dem Kondensaor gleich der chalspannung is, nimm die pannung ux nach dem mschalen des zweien Gaers den Wer +V an. Die pannung ux nimm exponeniell ab, weil sich der Ausgang des ersen Gaers auf LOW befinde: ux() =( + V) exp (-/) T ergib sich aus dieser Gleichung wenn ux(t) = gesez wird. Im Zeipunk 4 erreich ux den Wer der chalspannung. Nach der Gaerverzögerungszei pd schale das erse Gaer von LOW auf HIGH um. Nach einer weieren Gaerverzögerungszei das zweie Gaer auf LOW. Da über dem Kondensaor im mschalzeipunk die pannung V - abfäll, geh die pannung ux im Zeipunk 6 auf den Wer -V. ie würde auf den Wer V anseigen. Deshalb gil: ux() = V - (2V - ) exp(-/) T2 ergib sich aus dieser Gleichung, wenn ux(t2) = gesez wird. Die Frequenz des Oszillaors berechne sich zu: f = /(T+T2) Mi = V/2 is T=T2 und f=/2.2.