Informations- und Kommunikationstechnik

Bistabile Kippstufen

Eine Schaltung mit zwei Transistoren, die als elektronische Schalter arbeiten, bilden eine bistabile Kippstufe. Sind beide Zweige gleich dimensioniert, so versuchen die Transistoren beim Einschalten der Betriebsspannung in den leitenden Zustand zu kommen. Bei realen Transistoren ermöglichen Bauteiltoleranzen, dass einer der Transistoren schneller schaltet und den anderen in den Sperrzustand zwingt. 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. In Simulationsprogrammen sind normalerweise alle Bauteile vollkommen identisch, sodass die Schaltung oftmals nicht so funktioniert, wie man es erwartet oder von der Realität her kennt.

Flipflop mit definiertem Einschaltzustand

Oft ist es sinnvoll, dass die Schaltung nach dem Einschalten in einen vorgegebenen Betriebszustand geht. Muss im Reparaturfall einer der Transistoren ersetzt werden, so soll die Schaltcharakteristik auch danach unverändert sein. Das kann mit einer Diode im Basisstromkreis eines Transistors erreicht. In der Schaltung muss erst die Diode leitend werden, bevor die Basis des Transistors K1 sein Basispotenzial von 0,7 V erreicht. Im rechten Zweig muss nur die Basis-Emitter-Sperrzone des Transistors K2 abgebaut werden, der dadurch eher leitet. Beim Durchschalten fällt sein Kollektorpotenzial auf die geringe Kollektorsättigungsspannung von 0,2 V und hält die Basissteuerspannung für den Transistor K1 so niedrig, dass dieser im Sperrzustand bleibt. Die dargestellte Schaltung funktioniert auch als Schaltungssimulation und stellt eine bistabile Kippstufe mit Transistoren und festgelegtem Einschaltzustand bei nicht beschalteten Steuereingängen dar. Die bistabile Kippstufe kann als Flipflop bezeichnet werden und soll an den beiden Ausgängen entgegengesetzte Potenziale haben.

Statische Ansteuerung

Der stabile Schaltzustand ist über die Steuereingänge umschaltbar. Eine ausreichend positive Spannung am Eingang E1 schaltet den anfangs gesperrten Transistor K1 leitend und senkt damit das Basispotenzial des K2, der in den Sperrzustand wechselt. Dieser Zustand bleibt auch dann gespeichert, wenn E1 zwischen null und positiver Spannung wechselt. Mit E1 = 0 V und einer positiven Steuerspannung am Eingang E2 wird der Transistor K2 leitend gesteuert, wodurch K1 gesperrt wird. Auch dieser Zustand bleibt gespeichert, solange nur die Spannung an E2 zwischen null und positiver Spannung wechselt. Das Steuersignal muss solange anliegen, bis die Umschaltung sicher erfolgt ist. Bei wechselseitigen Steuerspannungen führen die beiden Ausgänge A1 und A2 mit High und Low immer entgegengesetzte Potenziale.

Schaltfolge der bistabilen Kippstufe

Diese gewünschte Schaltcharakteristik ist gestört, wenn beide Eingänge gleichzeitig eine positive Steuerspannung erhalten. Beide Transistoren werden leitend und schalten die Ausgänge auf Low-Potenzial, ein erlaubter und reproduzierbarer Zustand. Wechseln danach die Eingänge gleichzeitig auf 0 V, dann schalten die Transistoren in ihren durch die zusätzliche Diode definierten Anfangszustand mit leitendem K2 und gesperrtem K1. Ohne diese Diode sorgen Bauteiltoleranzen und äußere Betriebsgrößen für einen nicht genau vorherbestimmbaren neuen Schaltzustand.

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 dynamisch durch einen kurzen Impuls mit steiler Flanke ausgelöst werden. Mit zusätzlichen Dioden im Steuerkreiskreis wird der Schaltvorgang auf steigende oder fallende Steuerflanken festgelegt.

Flipflop mit dynamischer Ansteuerung

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

dynamische Ansteuerung mit positiver Flanke

Die Simulation der bistabilen Kippstufe erfolgte mit 15 Hz an E1 und 13 Hz an E2. Durch die Dioden werden beide Transistoren dynamisch nur mit positiven Triggersignalen gesteuert. Die Diagramme zeigen unten die Steuersignale der Differenzierglieder und oben mit A1 und A2 die zueinander entgegengesetzten Ausgangssignale. Die letzten Schaltimpulse erfolgen gleichzeitig, wobei die Kippstufe in ihren definierten Anfangszustand wechselt.

Wird eine Eingangsfrequenz über ein Differenzierglied an die zusammengeschalteten Dioden gelegt, dann entstehen an den Ausgängen A1 und A2 zueinander invertierte Rechtecksignale mit der halben Frequenz des Steuersignals. Die bistabile Kippstufe wird zum Frequenzteiler. Der positive Steuerimpuls am schon leitenden Transistor ist wirkungslos, während der zum gleichen Zeitpunkt gesperrte Transistor leitend geschaltet wird und den Partner dadurch sperrt. Die Schaltungssimulation funktioniert mit und ohne Vorzugsdiode.

bistabile Kippstufge als Frequenzteiler

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 bedingt je nach Transistortyp einen großen Basisstrom zwischen 0,5 ... 2 mA. Die Ausschaltzeit eines übersteuerten Transistors ist bedeutend länger, denn bevor er sperren kann, müssen alle Elektronen der leitenden Basis-Emitter-Zone abgeflossen sein. Ein parallel zum Basisvorwiderstand geschalteter Kondensator beschleunigt beide Schaltzeiten und sorgt damit beim Ausgangssignal der Kippstufe für steilere Signalflanken. Mit Schaltzeiten und deren Optimierungen gibt es im Kapitel zum Transistor als Schalter weiterführende Darstellungen.

Dynamisch gesteuerte Kippstufe mit Vorbereitungseingängen

Durch statische Vorbereitungseingänge EV kann das Schaltverhalten zusätzlich beeinflusst werden. Wird eine Kippstufe mit negativen 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 Kippschaltungen 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 der Schaltung aus. Das folgende Schaltungsprinzip zeigt eine Kippstufe 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.

Kippstufe mit dynamischer Taktsteuerung und Bedingungseingängen

Einsatzbereiche

Bistabile Kippschaltungen (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 Flipfloptypen zur Verfügung. Das Timer-IC 555 ist ein universeller integrierter Baustein, der sich auch gut für TTL-kompatible Flipflopschaltungen eignet.