Informations- und Kommunikationstechnik

Bistabile Kippstufe

Zwei Transistoren, die als elektronische Schalter arbeiten, bilden eine bistabile Kippstufe. Sind beide Transistorzweige gleich dimensioniert, so versuchen beide beim Anlegen der Betriebsspannung in den leitenden Zustand zu kommen. Bedingt durch Bauteiltoleranzen der Halbleiter, steuert einer der Transistoren schneller durch und zwingt den anderen in den Sperrzustand. Die Schaltung ist ab diesem Zeitpunkt in einem der zwei möglichen stabilen Zustände. Das Ausgangspotenzial des gesperrten Transistors nimmt den Wert der Betriebsspannung an. Das Ausgangspotenzial des leitenden Transistors entspricht dem niedrigen Wert der Sättigungsspannung seiner Kollektor-Emitterstrecke.

Flipflop mit definiertem Einschaltzustand

Es kann sinnvoll sein, dass die Schaltung nach dem Einschalten einen definierten Betriebszustand einnimmt. Mit einer Diode im Basisstromkreis des Transistors K1 muss sein Basispotenzial um 0,7 V höher sein als das vom rechten Transistor K2. Im rechten Zweig muss nur eine Diodensperrzone abgebaut werden, sodass der Transistor K2 schneller leitend wird. Bei seinem Durchschalten nimmt sein Kollektorpotenzial rasch ab und entzieht dem Transistor K1 das notwendige Basispotenzial. Die Schaltung zeigt eine bistabile Kippstufe mit Transistoren und festgelegtem Einschaltzustand bei nicht beschalteten Steuereingängen. Die bistabile Kippstufe wird auch als Flipflop bezeichnet.


Statische Ansteuerung

Der stabile Schaltzustand kann über die Steuereingänge umgeschaltet werden. Eine ausreichend positive Spannung am Eingang E1 lässt den Transistor K1 leitend werden und sperrt zugleich den Parallelzweig mit K2. Ebenso kann eine negative Spannung am Eingang E2 den Transistor K2 sperren und den Transistor K1 leitend steuern. Bei dieser statischen Ansteuerung muss das Steuersignal eine ausreichend lange Zeit anliegen. Der erreichte Schaltzustand bleibt solange stabil, bis ein neues entsprechend gepoltes Eingangssignal ein Umschalten bewirkt. Die beiden Ausgänge A1 und A2 haben mit High und Low immer entgegengesetzte Potenziale.

Dynamische Ansteuerung

Ein Nachteil der statischen Ansteuerung ist ein länger als notwendig fließender Basisstrom beim angesteuerten Transistor, der im Halbleiter in Verlustwärme umgesetzt wird. Der Schaltvorgang kann auch dynamisch durch einen kurzen Impuls mit steiler Flanke ausgelöst werden. Mit zusätzlichen Dioden im Eingangskreis kann der Schaltvorgang auf steigende oder fallende Steuerflanken festgelegt werden.

Flipflop mit dynamischer Ansteuerung

Die Steuerimpulse werden durch einen RC-Hochpass als Differenzierglied erzeugt. Die Diode RD1 oder RD2 in Flussrichtung zur Basis des anzusteuernden Transistors lässt als Steuersignal nur die positiven, steigenden Flanken durch. In Sperrrichtung geschaltet, bilden die negativen, fallenden Flanken das Steuersignal.

In dieser erweiterten Flipflop Schaltung lassen sich beide Eingänge dynamisch mit positiven Triggersignalen ansteuern. Die Diagramme zeigen den qualitativen Verlauf der aufbereiteten Steuersignale.

Werden beide Eingänge E1 und E2 miteinander verbunden und mit einem Taktsignal gesteuert, dann entstehen an den Ausgängen A1 und A2 zueinander invertierte Rechtecksignale mit der halben Frequenz des Steuersignals.

Verkürzen der Transistorschaltzeiten

Einen Transistor schnell in den leitenden Zustand zu schalten, gelingt durch Übersteuerung mit ausreichend hohem Basispotenzial von 0,8 ... 1 Volt. Das führt zu einem großen Basisstrom, der je nach Transistortyp 0,5 ... 2 mA betragen kann. Die Ausschaltzeit eines übersteuerten Transistors ist bedeutend länger, denn bevor er sperren kann, muss seine mit Elektronen überflutete Basis-Emitter-Zone frei werden. Ein parallel zum Basisvorwiderstand geschalteter Kondensator beschleunigt beide Schaltzeiten und sorgt damit beim Ausgangssignal des Flipflops für steilere Signalflanken. Mit Schaltzeiten und deren Optimierungen gibt es im Kapitel zum Transistor als Schalter weiterführende Darstellungen.

Dynamisch gesteuertes Flipflop mit Vorbereitungseingängen

Durch statische Vorbereitungseingänge EV kann das Schaltverhalten zusätzlich beeinflusst werden. Wird ein Flipflop durch negative Impulsflanken geschaltet, so verhindert eine positive Spannung am Vorbereitungseingang diesen Prozess. Der Impulstakt kann nur bei 0 Volt am Vorbereitungseingang wirksam werden. Eine negative Spannung an diesem statischen Eingang hält den Transistor immer gesperrt. Das Bild zeigt beide Eingänge und die Impulsdiagramme für einen Transistor, wobei UB sein Basissignal ist.

Dynamischer Eingang mit Vorbereitungseingang

Mit positiver Impulsflanke dynamisch gesteuerte Flipflops lassen sich ebenso mit Vorbereitungs- oder Bedingungseingängen versehen. Der Takt kann nur bei 0 Volt am Zusatzeingang wirksam werden. Eine negative Spannung verhindert die Taktsteuerung an diesem Transistor. Eine dauerhafte positive Spannung hält diesen Transistor immer durchgeschaltet.

In den meisten Fällen werden die beiden dynamischen Eingänge zum gemeinsamen Takteingang geschaltet. Die Zustände an den Bedingungseingängen lösen mit Eintreffen der richtigen Taktflanke den Schaltvorgang aus und wirken sich auf das Ausgangssignal des Flipflops aus. Das folgende Schaltungsprinzip zeigt ein Flipflop mit definiertem Einschaltzustand. Der Ausgang A2 hat Low-Signal, und A1 ein High-Signal. Die Zustände der Bedingungseingänge werden mit fallender Signalflanke des dynamischen Takteingangs verarbeitet.

Flipflop mit dynamischer Taktsteuerung und Bedingungseingängen

Einsatzbereiche

Flipflops werden in elektronischen Schaltungen oft eingesetzt. Zwei wichtige Anwendungsbereiche sind phasenstarre Frequenzteiler und Signalspeicher. In der Digitaltechnik sind sie weit verbreitet und stehen dort als vollintegrierte Schaltkreise für diverse Flipflops zur Verfügung. Das Timer-IC 555 ist ein universeller integrierter Baustein, der sich auch gut für TTL-kompatible Flipflopschaltungen eignet.