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eletronica digital
Tipologia: Notas de estudo
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Conceitos básicos do
Flip-Flop
Este artigo descreve os conceitos de memória eletrônica. Apresentar os conceitos básicos dos flip-flops tipo RS, JK, D e T, D Apresentar o conceito da análise de circuitos seqüenciais usando o método da forma de onda.
02 Circuito Básico de Memória:
O circuito básico de memória digital é mostrado no diagrama abaixo, onde a saída é realimentada através da porta inversora CI2. Neste circuito quando a entrada estiver no nível lógico zero, devido ao acionamento da chave ligada ao terra, a saída assume o valor um, e, este valor retorna a ser aplicado a entrada como nível zero devido a inversora, assim após este ciclo a entrada recebe o sinal zero de dois caminhos; da chave e da saída da inversora, neste ponto se a chave for desligada, a saída mantém o valor um por todo o tempo em que o circuito estiver ligado, para que a saída troque de valor o circuito deve ser desligado. Este é um tipo de memória chamada volátil, pois, perde a informação quando a energia é desligada, a RAM dos computadores são memórias voláteis. Este circuito memoriza que a chave foi ligada em algum tempo passado. Este circuito não é prático, pois, memoriza somente uma vez que a chave foi acionada.
Figura 1 mostrando o Circuito básico da memória digital!
03 Circuito do Flip-Flop:
Um circuito de memória prático usando uma configuração chamada de biestável é mostrado na figura abaixo. Este tipo de circuito também é conhecido como flip-flop. O flip-flop é construído usando duas portas NAND ou duas portas NOR.
Figura 2 mostrando um circuito biestável ou flip-flop!
Na análise de circuitos seqüências o tempo em que os eventos ocorrem é muito importe, assim um evento ocorrido no passado e que não está ocorrendo no presente, tem influência no estado lógico do circuito no presente.
O presente de um circuito flip-flop depende do que ocorreu no passado, veja como esta mágica ocorre na análise deste circuito no capítulo seguinte!
Figura 4 mostrando a realimentação da saída do CI1 para a entrada superior do CI2!
Como a chave R está desligada, as duas entradas da porta NAND do CI2 assumem o estado "1", assim a saída do CI2 vai para zero devido a função NAND. O valor "0" da saída do CI2 é realimentado para a entrada inferior do CI1. Ao final desta seqüência de eventos a saída Q está no nível lógico "1" e as duas entradas do CI1 estão no nível lógico "0".
Figura 5 mostrando a ação de realimentação do CI2 para o CI1.
Todos estes eventos ocorrem de forma muito rápida. Na prática quando a chave S for acionada a saída Q assume o valor "1" (SET) e a entrada inferior do CI1 assume o valor "0" de forma praticamente instantânea, desta forma no restante deste trabalho você deverá considerar esta seqüência de eventos como sendo um único evento chamado de função SET da saída Q do flip-flop!
A pós a saída Q ter assumido o valor "1" a chave S pode ser liberada a saída se manterá ligada devido ao zero da realimentação na entrada inferior do CI1. Esta função é chamada de memorizar a saída, ou de forma simplificada de "função MEMO" da saída Q do flip-flop, como é mostrado na figura abaixo!
Note que agora as duas chaves estão desligadas, este é o mesmo estado das chaves no início deste estudo, no entanto agora a saída está ligada. A saída está ligada devido ao evento de SET ocorrido no passado! O presente de um flip-flop depende do passado!
Figura 6 mostrando a função MEMO (memorizar) do flip-flop!
05 Flip-Flop RS:
O circuito analisado no capítulo anterior e mostrado abaixo é chamado de flip-flop RS que é base para construção das memórias eletrônicas e para a construção dos outros tipos de flip-flop.
As letras "RS" significa ligar e desligar.
Figura 9 mostrando o circuito de um flip-flop RS.
A tabela verdade deste circuito é mostrado abaixo, como a saída altera quando as chaves "S" e "R" conduzem o nível lógico "0" para uma das entradas do flip-flop, ele é classificado como flip-flop RS ativo com "0". A tabela verdade deste tipo de flip-flop é mostrada abaixo!
Observe que no caso de R=0 e S=1 a saída mantém o estado Q anterior, esta função é chamada de "MEMO" (memorizar) e é indicada na tabela verdade mostrando a letra Q com o sobrescrito menos um, este menos indica que a saída mentem o estado anterior (o atual menos um).
Tabela verdade do Flip-Flop RS ativo com "0".
O flip-flop RS executa três funções: SET RESET MEMORIZAR
Observe que a condição de ligar as duas chaves ao mesmo tempo não é especificada isto porque não é definida uma função de ligar e desligar ao mesmo tempo o flip-flop, por isto este estado das entradas não é definido. Na prática a saída vai assumir um estado lógico, mas este estado vai depender de cada circuito integrado, para saber o estado da saída quando alguém tentar ligar e desligar ao mesmo tempo você deverá consultar o manual do fabricante da porta, normalmente a saída do flip-flop fica desligada quando alguém tenta ligar e desligar ao mesmo tempo o flip-flop!
06 Representação em bloco do flip-flop RS:
Este tipo de flip-flop pode ser representado na forma de um bloco como é mostrada na figura abaixo, esta é a representação mais comum de um flip-flop do tipo RS.
A entrada "R" ativa a função de RESET da saída Q e a entrada "S" ativa a função de SET da saída Q, nada mais lógico e simples!
Figura 10 mostrando o diagrama em bloco do flip-flop RS ativo em "1"!
08 Representação em bloco do flip-flop RS:
Este tipo de flip-flop pode ser representado na forma de um bloco como é mostrada na figura abaixo, esta é a representação mais comum de um flip-flop do tipo RS.
A entrada "R" ativa a função de RESET da saída Q e a entrada "S" ativa a função de SET da saída Q, nada mais lógico e simples!
Figura 12 mostrando o diagrama em bloco do flip-flop RS ativo em "1"!
Existem duas formas para representar o flip-flop é ativo com "0":
Figura 13 mostrando as duas formas de simbolizar um flip-flop RS ativo em "0" na forma de blocos!
09 Flip-Flop JK:
Além do flip-flop RS existem outros tipos de flip-flop usados em circuitos digitais, você verá neste e nos próximos capítulos os outros tipos de flip-flop.
O Flip-Flop JK é um dos mais importantes por ser o que executa mais funções. Este tipo de flip-flop resolve a indefinição da condição de ligado e desligado ao mesmo tempo do Flip-Flop RS.
No Flip-Flop JK ativo em "1", a entrada que liga a saída é a entrada J, a entrada que desliga a saída é a entrada K, quando as duas entradas têm o valor ativo a saída assume uma nova função, a função "TROCA"!
Na função "TROCA" a saída troca o valor do estado anterior. Por exemplo, se o estado anterior da saída era "1", após a função "TROCA" este estado passa para o valor "0".
Para indicar esta função a tabela verdade mostra a letra Q com uma barra indicando que o valor está invertido além do sobrescrito para indicar que o valor do estado anterior é que foi invertido. O símbolo de um Flip-Flop JK é mostrado na figura 14 abaixo.
Figura 14 mostrando o símbolo de um flip-flop JK ativo em "1"!
Você deve ter observado a nova saída "Q" barrada, a maioria dos CI's possui esta saída, mas nem todos, ela é simplesmente um espelho (imagem invertida) da saída "Q" normal, apresentando o inverso do valor da saída Q. Outra forma de representar esta saída é colocando a bolinha d inversão em uma das saídas como mostra a figura acima á direita.
A tabela abaixo mostra a tabela verdade de um flip-flop JK com a nova função "TROCA"!
Tabela verdade do Flip-Flop JK ativo com "1":
Muitas vezes o sinal de "clock" é representado por um trem de pulsos de uma onda quadrada onde é salientado o ponto da transição, como mostra a figura 16 abaixo.
Figura 16 mostrando uma onda quadrada de um sinal de "clock" ativo na subida.
11 Símbolo da entrada com "clock":
A entrada com clock pode ser ativa na subida ou na descida como foi visto no capítulo anterior, o símbolo da entrada deverá indicar este fato!
A figura abaixo mostra as várias formas de indicar o nível ativo das entradas de clock:
Através de um triângulo. Se o triângulo for pintado com a cor branco indica que a transição é na subida, se o triângulo for pintado com a cor preto indica que a transição é na descida. Uma forma de memorizar a cor de preenchimento é usando o método mnemônico descrito a seguir: A letra "b" da cor branco tem "perninha" da letra inicial "b" apontando para cima. A letra "p" da cor preto tem "perninha" da letra inicial "p" apontando para baixo. A figura abaixo mostra o símbolo da entrada de "clock" com um triângulo.
Figura 17 mostrando o símbolo da entrada de clock.
Eventualmente o símbolo do triângulo só vem desenhado com o triângulo pintado de brando, neste caso a entrada ativa na descida, que o inverso da subida, apresenta uma bolinha na entrada de "clock". A figura abaixo mostra o símbolo da entrada de "clock" com um triângulo e inversora.
Figura 18 símbolo da entrada de clock
12 Entradas Auxiliares:
A maioria dos Flip-Flops possui algum tipo de entrada auxiliar. Uma entrada auxiliar executa uma função especial que independe das entradas normais R, S, J, K e Clock e outras que ainda vamos estudar por isto neste trabalho se uma entrada for do tipo auxiliar isto será descrito no texto, caso contrário será uma entrada normal.
Em uma entrada normal a saída é atualizada em sincronismo com a entrada de "clock", já o sinal aplicado a uma entrada especial atua diretamente na saída sem interferência do sinal de "clock".
As entradas auxiliares forçam a saída a assumir um novo estado independente do estado das entradas normais.
Abaixo são listadas as entradas auxiliares mais comuns em flip-flops!
A entrada auxiliar RESET: quando esta entrada é ativada a saída é forçada desligar. Normalmente esta entrada auxiliar é simbolizada pela letra "R". Algumas vezes esta entrada vem descrita com as letras CLR de CLEAR (Limpar em inglês).
A entrada auxiliar SET: quando esta entrada é ativada a saída é forçada a ligar. Normalmente esta entrada auxiliar é simbolizada pela letra "S".
Note que o nome das entradas auxiliares é o mesmo das entradas normais no flip-flop RS e executam exatamente a mesma função de forma independente do "clock", assim, é possível usar outro tipo de flip-flop a funcionar com um flip-flop RS basta usar as entradas auxiliares se estiverem presentes.
As entradas de SET e RESET podem ser ativas com nível lógico "1" ou com "0 como qualquer outra entrada, e o símbolo destas entradas segue o padrão visto anteriormente. A figura abaixo mostra um flip-flop JK com entradas auxiliares de "SET" e "RESET". As entradas auxiliares do flip-flop da esquerda é ativo com "1" e o da direita é ativo com "0"..
Figura 20 mostrando o símbolo das entradas "RS"!
Quando os CI’s são construídos com a tecnologia CMOS as entradas auxiliares normalmente são ativas com "1", quando são construídos com a técnica TTL são ativas com "0".
13 Tempo de propagação:
O tempo de propagação não é uma característica única dos flip-flops mas de todos os circuitos integrados.
O circuito abaixo será usado para entender o temo de propagação onde na entrada da porta inversora é aplicado um pulso de onda quadrada. Um osciloscópio de dois canais é usado para medir a tensão na entrada e na saída da porta.
Observe que o sinal medido na saída é diferente do sinal esperado, que seria uma onda quadrada perfeita, mas com sinais invertidos. Mas o que você vê é uma onda com uma inclinação nas transições do sinal de início e no fim, isto é, tanto na transição de descida como na transição de subida. O sinal presente na saída do circuito integrado sofre um atraso no tempo até chegar ao nível lógico apropriado, este atraso é que é chamado de tempo de propagação. Este atraso pode ser considerado como o tempo em que o sinal se propaga dentro do circuito integrado até alcançar a saída.
Figura 21 mostrando o circuito para avaliação do tempo de propagação e as formas de onda do sinal de entrada e de saída.
Ao olhar a figura 21 acima você percebe que o sinal na saída apresenta uma distorção em relação ao sinal de entrada. O sinal na saída demora algum tempo para se ajustar ao valor da entrada, há um atraso entre o sinal variar na entrada e a saída do circuito integrado responder. Este tempo de atraso é chamado tempo de propagação!
O atraso de propagação é devido principalmente as capacitâncias existentes internamente ao circuito integrado, os capacitores demoram algum tempo até serem carregados.
Este tempo é muito curto e você nem percebe na maioria das aplicações, no entanto pode ser importante em algumas aplicações! Por exemplo, em computadores, o tempo de processamento de um programa depende essencialmente do tempo de propagação das portas que compõe o computador, quanto mais avança a tecnologia mais rápidas ficam as portas, menor o tempo de propagação, mais rápido é o seu computador!
