Introducción de los Flip Flop

Introducción

Todos los circuitos digitales utilizan
datos binarios para funcionar correctamente, los circuitos
están diseñados para contar, sumar, separar, etc.
los datos según nuestras necesidades, pero por el tipo de
funcionamiento de las compuertas digitales, los datos presentes
en las salidas de las mismas, cambian de acuerdo con sus
entradas, y no hay manera debitarlo, si las entradas cambian, las
salidas lo harán también, entonces
¿Cómo podemos hacer para mantener un dato o serie
de datos en un lugar hasta que los necesitemos?La respuesta son
las memorias, básicamente son sistemas que pueden
almacenar uno o más datos evitando que se pierdan, hasta
que nosotros lo consideremos necesario, es decir, pueden variar
su contenido a nuestra voluntad.El corazón de una memoria
son los Flip Flops, este circuito es una combinación de
compuertas lógicas, A diferencia de las
características de las compuertas solas, si se unen de
cierta manera, estas pueden almacenar datos que podemos manipular
con reglas preestablecidas por el circuito mismo.Esta es la
representación general par un Flip Flop (comúnmente
llamado "FF")

Los FF pueden tener varias entradas, dependiendo del
tipo de las funciones internas que realice, y tiene dos
salidas:

Las salidas de los FF sólo pueden tener dos
estados (binario) y siempre tienen valores contrarios, como
podemos ver en la siguiente tabla:

Las entradas de un FF obligan a las salidas
a conmutar hacia uno u otro estado o hacer "flip flop"
(Término anglosajón), más adelante
explicaremos cómo interactúan las entradas con las
salidas para lograr los efectos característicos de cada
FF.El FF también es conocido como:

• "Registro Básico" término utilizado
  para la forma más sencilla de un FF.

• "Multivibrador Biestable" término pocas veces
  utilizado para describir a un FF.

Registro
Básico construido con compuertas NAND

Este es el circuito más sencillo y
básico de un FF, Puede ser construido a partir de dos
compuertas NAND o dos compuertas NOR con dos entradas, a
continuación se ilustra con compuertas NAND, y es
denominado "Registro Básico NAND".La forma de conectarlas
es la siguiente: Se deja libre una de las entradas de cada
compuerta, las sobrantes son conectadas independientemente de
manera cruzada hacia la salida de la compuerta contraria.Quedando
la conexión de la siguiente manera:

La siguiente tabla muestra el estado inicial del
Registro Básico NAND, cuando sus entradas se encuentran en
ALTO (Estado de reposo del FF). Para comenzar la acción de
"Flip Flop" será necesario enviar a BAJO alguna de las
entradas, con su correspondiente cambio de estado a la
salida.

La siguiente tabla nos muestra los diferentes cambios de
las salidas, según cada selección de entradas (La
"X" significa que no importa el estado en el que se encuentren en
ese momento):

Siguiendo los datos de la tabla podemos resumir
que:

• Si SET y RESET están en ALTO, el FF mantiene
  sus salidas en el estado actual.

• Si RESET recibe un pulso BAJO, las salidas son
  forzadas a Q = 0 y /Q = 1

• Si SET recibe un pulso BAJO, las salidas son
  forzadas a Q = 1 y /Q = 0

• Si las dos entradas reciben pulsos BAJOS, las
  salidas son forzadas a Q = 1 y /Q = 1

Este último cambio normalmente se considera como
no deseado, ya que el principio básico es que las salidas
siempre estén invertidas (Aunque en ciertos casos
especiales, nosotros podríamos utilizar este
efecto).Entonces, la tabla de verdad del Registro Básico
NAND es la siguiente:

Registro
Básico con compuertas NOR

La conexión del Registro
Básico NOR es exactamente igual al del Registro NAND, pero
los cambios en sus salidas son completamente diferentes, A
continuación se ilustran las dos tablas de verdad para
hacer el comparativo entre una y otra.Tabla de verdad del
Registro Básico NOR

Tabla de verdad del Registro
Básico NAND

Agregando pulsadores u otras compuertas en las entradas,
los usos más comunes para el Registro Básico NAND o
NOR son:

• Eliminadores de ruido para pulsadores
  mecánicos.

• Sistemas de Encendido (ON)/Apagado (OFF) con dos
  pulsadores para diversos circuitos digitales y/o
  análogos.

• Sensores de movimiento mecánico, (Fin o
  Inicio de carrera de una puerta por ejemplo).

• Control Digital de otros circuitos.

• Y otras 373929273736 Aplicaciones dependiendo de tu
  IMAGINACIÓN.

Señales de
Reloj (CLOCK) y FF controlados por Reloj

Hasta ahora hemos visto que un Registro
Básico tiene dos variables de entrada y responde de manera
predecible a ellas, pero ¿Qué podíamos hacer
si necesitáramos otra variable de control?
¿Cómo podríamos hacer que el registro
actúe cuando sea conveniente para nosotros, y no al
momento de cambiar sus entradas?Todos los sistemas digitales
tienen básicamente dos formas de
operación:

• Operación en modo
  ASÍNCRONO.En este modo, las salidas cambian de manera
  automática siguiendo las órdenes de las
  entradas.

• Operación en modo
  SÍNCRONO.En este modo, las salidas cambian siguiendo
  las ordenes de las entradas, pero sólo cuando una
  señal de control, llamada RELOJ (CLOCK, CLK, CP) es
  aplicada al registro.

Los circuitos digitales ASÍNCRONOS
son muy complicados en lo que a diseño y reparación
se refiere, ya que, al encontrarnos con una falla en un circuito
de 10 registros interconectados, el rastreo de los cambios en
todas las compuertas nos provocaría un severo dolor de
cabeza.Los circuitos digitales SÍNCRONOS son más
fáciles de diseñar y reparar, debido a que los
cambios de las salidas son eventos "esperados" (ya que
fácilmente podemos saber el estado de cada una de las
entradas o salidas sin que estas cambien repentinamente), y los
cambios dependen del control de una sola señal aplicada a
todos los registros, la señal de RELOJ.La señal de
reloj es una onda cuadrada o rectangular, los registros que
funcionan con esta señal, sólo pueden cambiar
cuando la señal de reloj hace una transición,
También llamados "flancos", por lo tanto, la señal
de reloj sólo puede hacer 2 transiciones (o
Flancos):

• La Transición con pendiente
  positiva (TPP) o Flanco positivo (FP).Es cuando la
  señal de reloj cambia del estado BAJO al estado
  ALTO.

• La Transición con pendiente
  negativa (TPN) o Flanco Negativo (FN).Es cuando la
  señal de reloj cambia del estado ALTO al estado
  BAJO.

Principales características de los
FF sincronizados por Reloj.

• Todos los FF cuentan con una entrada
  con el rótulo (RELOJ, CLOCK, CLK, CP) y un distintivo
  círculo para saber como debe ser la señal
  activa. Los que no tienen círculo, son sincronizados
  por una TPP, los que cuentan con un círculo son
  sincronizados por una TPN.

• Todos los FF cuentan con entradas de control, que
  determinan el cambio que van a tener las salidas, al igual
  que en los Registros básicos, pero estas entradas no
  pueden modificar las salidas arbitrariamente, sólo
  podrán hacerlo cuando el FF reciba su
  transición activa.

Resumiendo, Las entradas de control del FF nos permiten
saber cómo van a cambiar las salidas, pero sólo la
señal de Reloj podrá hacer efectivo este
cambio.

Constantes de
tiempo de Establecimiento y de Retención

La siguiente figura nos indica cómo están
compuestos los dos detectores de Transiciones.

• Detector de Transiciones Positivas (TPP)

Circuito Detector de Transiciones
Negativas

Las figuras nos muestran del lado izquierdo
de la línea verde el pin de entrada de Reloj del FF, el
lado derecho nos muestra el circuito interno del FF.La diferencia
entre CK y CK se debe al retraso en la propagación que
cualquier compuerta tiene, desde que se aplica una señal
en la entrada, hasta que esta se refleja en al salida. Esta
diferencia en tiempo, nos permite obtener un pulso de salida
solamente cuando ocurre la transición para la que
están diseñados, y por lo tanto accionar el
FF.

Registro
Básico NAND tipo Síncrono

Dejaremos de lado la conexión interna de los FF,
ya que para nuestra comodidad, todos podemos encontrarlos en
forma de circuitos integrados, así que nos ocuparemos
solamente de su funcionamiento.La siguiente figura nos muestra un
Registro Básico Sincronizado por una señal de
reloj. Es la forma más básica de un FF controlado
por la señal de reloj. (La falta del círculo en la
entrada de CLK significa que sólo será activa en
los TPP) (Sólo se muestra la salida Normal (Q), ya que
como dijimos, la salida negada siempre es inversa)

Flip Flop tipo
"J-K"

Este FF es uno de los más usados en los circuitos
digitales, y de hecho es parte fundamental de muchos circuitos
avanzados como contadores y registros de corrimiento, que ya
vienen integrados en un chip.Este FF cuenta con dos entradas de
datos J y K, su función es en principio la misma que el
Registro básico NAND o NOR, pero con la diferencia que la
condición en las entradas J = 1, K = 1, a diferencia del
Registro NAND, que generaría una salida errónea o
no deseada, en un FF J-K, obliga a las salidas a conmutar su
estado al opuesto (Toggle) a cada pulso del reloj. Esto lo
convierte en un tipo de FF muy versátil.Tabla de verdad de
un FF tipo J-K síncrono.

Observando la tabla de verdad observamos
los cambios que provoca en sus salidas este FF:

• Si J y K = 0, no hay cambios en las
  salidas.

• Si J = 1, y K = 0, se forzan las salidas a Q = 1, /Q
  = 0

• Si J = 0, y K = 1, se forzan las salidas a Q = 0, /Q
  = 1

• Si J = 1, y K = 1, las salidas conmutan su estado
  hacia el siguiente a cada pulso del reloj (Toggle)

Flip Flop tipo
"D" (Datos, Data)

A diferencia de los FF tipo J-K, el FF tipo
"D" (Datos, Data) sólo cuneta con una entrada para hacer
el cambio de las salidas. A cada pulso del reloj (dependiendo si
el FF utiliza una TPP o una TPN) el estado presente en la entrada
"D" será transferido a la salida Q y /Q.Tabla de verdad de
un FF tipo "D"

Una de las aplicaciones de mayor uso para
este tipo de FF es al de la transferencia de datos de forma
paralela, conectando varios FF tipo "D" a X número de
bits, podemos hacer que la información de todos los bits
pase inmediatamente a la salida de cada FF con sólo un
pulso de reloj.

Entradas
asíncronas en los FF

Como ya hemos visto, cada FF tiene entradas
que pueden cambiar el estado de las salidas de manera
sincronizada con el pulso de reloj, pero ¿Dónde
quedaron nuestras entradas asíncronas? ¿Es posible
seguir usando estas entradas en FF síncronos?La respuesta
está en los FF síncronos de cualquier tipo que
poseen entradas asíncronas, esto añade dos pines
más de control a nuestros FF, los conocidos SET y RESET
(Los cuáles pueden ser activos en el estado ALTO o BAJO).
Entonces tenemos FF síncronos (Tipo "J – K", o tipo "D" )
con un par de entradas que no dependen en ningún momento
del pulso de Reloj. Haciendo una combinación perfecta de
entradas que controlan las salidas de manera automática
(Asíncronas) o controladas por un pulso de reloj
(Síncronas).La siguiente figura nos muestra los
símbolos de los FF Tipo "J – K" y "D" con sus entradas
asíncronas.

Tabla de verdad
del FF Tipo "J – K" con entradas
Asíncronas

(Las "X" significan que no importa el
estado actual de esa entrada).(El FF tiene una entrada de Reloj
que funciona con TPP)(Las entradas asíncronas con activas
ALTAS)

El funcionamiento básico sigue
siendo el mismo, pero las salidas serán forzadas a ALTO o
BAJO, si se activan las entradas Asíncronas
correspondientes (SET, RESET) sin importar el estado de las
entradas "J – K" o CLK.

Tabla de verdad
del FF Tipo "D" con entradas Asíncronas

(Las "X" significan que no importa el
estado actual de esa entrada).(El FF tiene una entrada de Reloj
que funciona con TPP)(Las entradas asíncronas con activas
ALTAS)

El funcionamiento básico sigue
siendo el mismo, pero las salidas serán forzadas a ALTO o
BAJO, si se activan las entradas Asíncronas
correspondientes (SET, RESET) sin importar el estado de la
entrada "D" o CLK.

Con esto termina este pequeño tutorial de
Flip-Flops, espero que las dudas hayan encontrado una respuesta
satisfactoria, y que la información aquí contenida
sea de gran utilidad para el lector.

Autor:

Robert Córdova
López