Ein Flipflop (auch Flip-Flop), oft auch bistabile Kippstufe oder bistabiles Kippglied genannt, ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände des Ausgangssignals besitzt. Dabei hängt der aktuelle Zustand nicht nur von den gegenwärtig vorhandenen Eingangssignalen ab, sondern außerdem vom Zustand, der vor dem betrachteten Zeitpunkt bestanden hat. Eine Abhängigkeit von der Zeit besteht nicht, sondern nur von Ereignissen.

Durch die Bistabilität kann die Kippstufe eine Datenmenge von einem Bit über eine unbegrenzte Zeit speichern. Dazu muss, anders als bei nichtflüchtigen Datenspeichern, jedoch die Spannungsversorgung dauernd gewährleistet sein. Das Flipflop ist als Grundbaustein der sequentiellen Schaltungen ein unverzichtbares Bauelement der Digitaltechnik und damit fundamentaler Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen von der Quarzuhr bis zum Mikroprozessor. Insbesondere ist es als elementarer Ein-Bit-Speicher das Grundelement der statischen Speicherbausteine für Computer.

Geschichte

Die Flipflopschaltung wurde von den Engländern William Henry Eccles und Frank W. Jordan an rückgekoppelten Radioröhrenverstärkern auf der Suche nach Zählschaltungen entdeckt und am 21. Juni 1918 zum Patent angemeldet. Ursprünglich erhielt sie die Bezeichnung Eccles-Jordan-Schaltung.

Charakteristik

Flipflops unterscheiden sich unter anderem

• in der Anzahl und der logischen Funktion ihrer Eingänge (beschrieben durch ihre charakteristische Gleichung oder Funktionstabelle),
• in der zeitlichen Reaktion auf die Eingangssignale (Daten- und Steuersignale), insbesondere auf die Taktsignale (Timing),
• in der Durchlässigkeit von Datensignalen bis zum Ausgang (Transparenz oder Momentanfreigabe)
• und im strukturellen Aufbau (einfache interne Mitkopplung (Einspeicher-Flipflop) oder Master-Slave-Prinzip (Zweispeicher-Flipflop)).

Gemeinsam ist jedoch allen, dass sie zwei stabile Zustände haben, welche an einem Ausgang festgestellt werden können. Diese Zustände werden „gesetzt“ (set) und „zurückgesetzt“ (reset) genannt. Zwischen diesen Zuständen kann durch Signale an den Eingängen umgeschaltet werden. Üblicherweise ist neben dem Ausgang Q ein weiterer Ausgang Q vorhanden, an dem der negierte Wert von Q anliegt. Der Einschaltzustand ist bei einem einfachen Flipflop aus zwei symmetrisch angeordneten bipolaren Transistoren (wie im Bild „Bistabile Transistor-Kippstufe“) nicht definiert. Dieser kann mittels eines Kondensators an einem der beiden Eingänge festgelegt werden.

Für ein Flipflop in Standard-TTL-Technik mit 5 V Betriebsspannung bedeutet eine Spannung gegen „Masse“ von 2,5 bis 5 V (H-Pegel, HIGH) am Ausgang Q den Zustand „gesetzt“. Am negierten Ausgang Q liegt dann eine Spannung von 0 bis 0,4 V (L-Pegel, LOW) an. Bei der Verwendung von positiver Logik wird dieser Zustand als Q = 1 und Q = 0 interpretiert. Im Zustand „zurückgesetzt“ liegen die Spannungen und Logikwerte vertauscht an den Ausgängen an (Q = 0 und Q = 1). Genauso gut kann der L-Pegel als „gesetzt“ angesehen werden, der sich aus einem Anfangszustand mit H-Pegel abhebt – das wird negative Logik genannt. Was benutzt wird, ist eine Frage der Festlegung; je nachdem kann die eine oder andere Festlegung zweckmäßig sein. Die negative Logik wird allerdings innerhalb dieses Artikels nicht herausgestellt.

Das einfachste Flipflop ist das ungetaktete RS-Flipflop; es hat zwei Eingänge, die S und R genannt werden. Über den Eingang S kann der Ausgang des Flipflops in den Zustand „gesetzt“ kippen (oder in diesem Zustand bleiben, falls er schon „gesetzt“ ist). Über den Eingang R kann das Flipflop in den Zustand „zurückgesetzt“ schalten. Die Eigenschaften des RS-Flipflops und anderer Flipflop-Arten werden weiter unten detaillierter erläutert.

Durch das Zusammenschalten mehrerer Flipflops entstehen leistungsfähige Systeme wie Register, Zähler (asynchron oder synchron), Datenspeicher (Halbleiterspeicher) und Mikroprozessoren. Flipflops sind Grundbausteine für die gesamte Digitaltechnik und Mikroelektronik einschließlich des Computers.

Klassifizierung anhand von Taktabhängigkeit

Flipflop-Typen

D-Flipflop

Taktflankengesteuertes D-Flipflop

Das D-Flipflop (abgekürzt für Data- oder Delay-Flipflop) dient zum Verzögern des Signals am Dateneingang bis zur Freigabe synchron zu einer Taktflanke. Es besitzt einen Dateneingang D und einen dynamischen Eingang C (Clock), der im Schaltzeichen mit ${\displaystyle \vartriangleright }$ gekennzeichnet wird, wenn er auf steigende Flanken reagiert. (Wenn eine fallende Flanke die aktive ist, wird noch ein Negierungszeichen ${\displaystyle \circ }$ außerhalb der Symbolkontur davorgesetzt.) Dieses D-Flipflop realisiert die elementare charakteristische Funktion der taktgesteuerten direkten Übernahme des Dateneingangs zum Ausgang

${\displaystyle \mathrm {Q'=D} }$

Darin gilt D für den Zustand bis zur Triggerung und Q' nach der Triggerung. Bis zur nächsten aktiven Taktflanke wird der aktuelle Zustand gehalten („verzögert“). Die gegenläufige Flanke hat keinen Einfluss.

Dieses Verhalten führt auf drei wichtige Anwendungen:

• Speicherung eines Datenbits solange, bis die Taktflanke eine neue Speicherung auslöst
• Synchronisierung paralleler, gleichzeitig begonnener Vorgänge, die je nach Anzahl und Art der durchlaufenen Bauelemente unterschiedlichen Laufzeitverzögerungen unterliegen
• Verhinderung kurzzeitiger Falschaussagen (Glitches oder Spikes).

Weil sich alle Änderungen an D, die nach der aktiven Flanke eintreffen, erst zur nächsten aktiven Flanke auswirken, ist es nichttransparent und als elementares Flipflop direkt rückkopplungsfähig. Beispielsweise ist eine Verbindung von Ausgang Q zum Eingang D derselben Kippstufe zulässig, durch die sich das Ausgangssignal in sein Gegenteil ändert, aber immer erst zur nächsten aktiven Taktflanke. Damit eignet sich das D-Flipflop als Grundbaustein von Zählschaltungen. Durch Zusammenschluss mehrerer solcher Kippglieder und äußere Beschaltung lassen sich – wie mit weiteren taktflankengesteuerten Flipflops – umfangreiche Schaltungen wie Synchronzähler, Frequenzteiler oder Schieberegister realisieren.

Mit einem Clock-Enable-Eingang CE (im deutschsprachigen Raum „Vorbereitungseingang“ V) kann der Takteingang in seiner Funktion freigeschaltet werden (engl. enable = freigeben); ohne Freigabe bleibt der Zustand bis zu einer späteren Taktflanke unverändert. In dieser Ausstattung wird das Flipflop als DV-Flipflop bezeichnet.

Name und Schaltzeichen	Signal-Zeit-Diagramm	Schaltplan	Funktionstabelle
Flankengesteuertes D-Flipflop	Übernahme der Eingangsinformation bei steigender Flanke an C	Wie flankengesteuertes JK-Flipflop mit J = K = D	C   D   Q ${\displaystyle \lrcorner \!\ulcorner }$ 0 0 ${\displaystyle \lrcorner \!\ulcorner }$ 1 1 0, 1, ${\displaystyle \urcorner \!\llcorner }$ X unverändert ${\displaystyle \lrcorner \!\ulcorner }$: steigende Flanke ${\displaystyle \urcorner \!\llcorner }$: fallende Flanke   X: beliebig (0 oder 1)

Taktpegelgesteuertes D-Flipflop

Alternativ können D-Flipflops neben dem Dateneingang D einen statischen Eingang E enthalten, der auf Pegel reagiert. Diese Kippstufe ist ein typisches Latch. Dafür gilt die angegebene Funktionstabelle.

Das D-Latch besteht aus einem RS-Flipflop und davor einer unsymmetrischen Eingangsbeschaltung. Mit dieser wird der Widerspruchszustand R = S = 1 vermieden. Solange der (meist mit dem Takt beschaltete) Freigabeeingang auf E = 1 liegt, erscheinen die Daten am Eingang D unmittelbar am Ausgang Q. In diesem Zustand ist das D-Latch transparent. Für den Rest einer Taktperiode bleibt das Datenbit noch verfügbar, während sich das Eingangssignal bereits ändern kann.

Name und Schaltzeichen	Signal-Zeit-Diagramm	Schaltplan	Funktionstabelle
Pegelgesteuertes D-Flipflop	Übernahme der Eingangsinformation solange 1-Pegel an E	D-Latch in NAND-Realisierung	E     D   Q 1 0 0 1 1 1 0 X unverändert X: beliebig (0 oder 1)

JK-Flipflop

JK-Flipflops basieren auf dem asynchronen RS-Flipflop, sind aber flankengesteuert oder als Master-Slave-Flipflop ausgeführt. Die Bedeutung bzw. die Herkunft der Eingangsbezeichnungen J und K ist nicht erklärbar. Mit dem Taktsignal und der Eingangsbelegung J = 1 und K = 0 wird am Ausgang eine 1 erzeugt und gespeichert, alternativ bei K = 1 und J = 0 eine 0. Der Zustand J = K = 1 ist erlaubt; in diesem Fall wechselt der Ausgangspegel mit jeder wirksamen Flanke des Taktsignals. Dieses Verhalten lässt die Bezeichnung als Toggle-Flipflop zu. Für J = K = 0 bleibt der letzte Ausgangszustand erhalten. Die charakteristische Gleichung lautet (mit J, K, Q bis zur Flanke und Q' nach der Flanke)

${\displaystyle \mathrm {Q'=(J\land {\overline {Q}})\lor ({\overline {K}}\land Q)} }$

Bei der Realisierung des JK-Flipflops als taktzustandsgesteuertem Master-Slave-Flipflop muss als wesentliche Einschränkung beachtet werden, dass sich in der Transparenzphase des Masters die Zustände der beiden Eingänge J und K nicht mehr ändern dürfen. Damit liegt kein rein zustandsgesteuertes Flipflop vor. Dieser Nachteil ist ein Grund, warum sie als Master-Slave-Flipflops in komplizierteren Digitalschaltungen nur noch selten verwendet werden und durch flankengetriggerte Flipflops ersetzt werden, die diesen Nachteil nicht aufweisen.

Bei der Realisierung des JK-Flipflops als taktflankengesteuertem Flipflop kann der Eingang C für steigende Flanken (Wechsel von 0 auf 1) oder für fallende Flanken (Wechsel von 1 auf 0) ausgelegt sein.

Name und Schaltzeichen	Signal-Zeit-Diagramm	Schaltplan	Funktionstabelle
Flanken­gesteuertes JK-Flipflop	Übernahme der Eingangsinformation durch steigende Flanke an C (clock)	Nur solange eine an C aufgetretene Flanke ${\displaystyle \lrcorner \!\ulcorner }$ durch die 3 Nicht-Gatter läuft, kann S = 0 oder R = 0 werden.	bis zur nach der … n-ten Taktflanke J K Qn 0 0 Qn−1 (unverändert) 0 1 0 (zurückgesetzt) 1 0 1 (gesetzt) 1 1 Qn−1 (gewechselt)

Zusätzliche asynchrone Steuereingänge bei Flipflops

Je nach Bauart besitzen die getakteten Flipflops (taktzustands- und auch taktflankengesteuerte Flipflops) zusätzliche Eingänge für asynchrone Steuersignale. Diese beeinflussen das Flipflop unabhängig vom Taktsignal. Je nach Bauart besitzen diese Bauelemente einen zusätzlichen Reset-Eingang R, einen Set-Eingang S oder beide. Das Reset wird manchmal als „Clear“ (Löschen) bezeichnet, das Setzen als „Preset“ (Vorbelegen). Häufig werden die beiden zusätzlichen Eingänge auf LOW-aktive Ansteuerung ausgelegt und dann mit S und R bezeichnet.

Durch den asynchronen Reset-Eingang kann das Flipflop in den Anfangszustand Q = 0 (Reset-Zustand) gebracht werden. Diese Funktion wird beispielsweise beim Einschalten der Versorgungsspannung verwendet oder wenn die Schaltung während des Betriebs erneut in den Anfangszustand gebracht werden muss. Der Set-Eingang entspricht im Verhalten dem Reset-Eingang, bringt aber das Flipflop in den Setz-Zustand Q = 1. Eine gleichzeitige Betätigung des asynchronen Setz- und Rücksetzeingangs wird als „verbotener“ Zustand bezeichnet.

Timing der Flipflops

Bei zeit-kritischen Anwendungen der Flipflop-Bauelemente in Elektronik-Schaltungen müssen verschiedene Vorgaben beachtet werden. Als Beispiel wird hier ein taktflankengetriggertes D-Flipflop mit Einflankentriggerung betrachtet. Als Referenz für jeden einzelnen Schaltvorgang wird die aktive Schaltflanke des Takts (Clk) verwendet.

Das Eingangssignal (Data) des Flipflops darf sich vor der aktiven Schaltflanke des Taktsignals für eine definierte Mindestdauer nicht ändern. Diese Zeit wird als Setzzeit ${\displaystyle t_{\mathrm {su} }}$ (engl. setup-time) bezeichnet. Entsprechend darf sich der Logikzustand am D-Eingang nach der aktiven Schaltflanke des Taktsignals für eine definierte Mindestdauer ebenfalls nicht ändern. Diese Zeit wird als Haltezeit ${\displaystyle t_{\mathrm {h} }}$ (engl. hold-time) bezeichnet. Bis sich nach der Flanke das Ausgangssignal eingestellt hat, ist die Signallaufzeit durch das Bauelement (engl. propagation delay time) ${\displaystyle t_{\mathrm {pd} }}$ zu beachten.

Die garantierte Frequenz des Taktsignals ${\displaystyle f_{\mathrm {clk,max} }}$ darf nicht überschritten werden. Ferner darf die Mindest-Pulsbreite (engl. pulse-width) des Taktsignals ${\displaystyle t_{\mathrm {pw,clk} }}$ nicht unterschritten werden. Diese wird ab der aktiven Taktflanke bis zur umgekehrten Taktflanke des Impulses gezählt. Bei Flipflops mit zusätzlichen asynchronen Steuereingängen dürfen sich die Steuersignale ebenfalls für eine definierte Mindestzeit vor der aktiven Taktflanke des Taktsignals und für eine definierte Mindestdauer hinterher nicht ändern. Die spezifizierten Zeiten dienen auch dazu, Fertigungstoleranzen zulassen zu können. Wenn die Timing-Vorgaben verletzt werden, muss damit gerechnet werden, dass es zu Fehlern bei der Verarbeitung der Daten durch die Flipflops kommt, z. B. durch Metastabilität oder fehlende Synchronität mehrerer Flipflops.

Alle anderen Flipflops mit Takteingang haben grundsätzlich dasselbe Verhalten wie das D-Flipflop. Beim JK-Flipflop müssen zusätzlich Setz- und Haltezeiten für die J- und K-Eingänge eingehalten werden. Ebenso sind für das RS-Flipflop Zeitvorgaben einzuhalten.

Verwendung von Flipflops

Bei den eingangs und zu den einzelnen Typen aufgeführten Anwendungen sind Flipflops typischerweise Teil eines größeren Elektronikbauelements. In der professionellen Schaltungsentwicklung werden Flipflops kaum noch als Einzelbauelemente eingesetzt. Typischerweise werden Bauelemente eingesetzt, die neben Flipflops aus weiteren Schaltungsfunktionen in einem gemeinsamen Bauelement bestehen. Hierunter fallen unter anderem FPGA-, PLD- und ASIC-Bauelemente. In diesen Bauelementen sind typischerweise D-Flipflops enthalten.

Diskrete Schaltkreise

Die nachfolgende Tabelle enthält neben den Flipflops und Monoflops auch die funktionsverwandten Latches und Businterfaces.

Literatur

• Manfred Seifart, Helmut Beikirch: Digitale Schaltungen. Verlag Technik, Berlin 1998, ISBN 3-341-01198-6. 
• Gerd Scarbata: Synthese und Analyse Digitaler Schaltungen. Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH, München 2001, ISBN 3-486-25814-1. 
• Manfred Seifart: Digitale Schaltungen. Verlag Technik, Berlin (DDR) 1986, ISBN 3-341-00148-4 (Kapitel: 5.3 Flipflop-Stufen S. 126/ 5.3.1 Wirkprinzip, Grund-Flipflop S. 126/ 5.3.2 Getaktete Flipflops S. 128/ 5.3.3 Zähl-Flipflops(Zwischenspeicher-Flipflops) S. 128/ 5.3.4 Systematik der Flipflop-Stufen S. 129/ 5.3.4.1 Unterscheidung hinsichtlich der Wirkungsweise des Taktimpulses (Eingänge S. 129/ Taktsteuerung S. 129/ Taktflankengesteuerte Zähl-Flipflops S. 130, flankengetriggert=edge-triggered Flipflops, Master-Slave-Flipflops S. 131, häufige Flipflop-Typen und ihr Logikverhalten Tafel 5.5 S. 132-133)/5.3.4.2 Unterscheidung hinsichtlich des logischen Verhaltens S. 134 (u. a. Umwandlung eines Flipflop-Typen in eine andere Type durch Vorschalten von Logikgliedern oder Rückführung der Ausgänge an die Eingänge:/Univibratoren(Monoflops) S. 135-142/Tafel5.6 auf S. 136/Tafel 5.4 S. 126 einige Flipflop-Schaltkreise der DDR)). 
• Gerhard Ruder: cmos1 digital ’84/85, Datenlexikon und Vergleichstabelle integrierte Schaltungen. ECA GmbH München, 1985, ISBN 3-88109-025-8 (u. a. funktionelles Inhaltsverzeichnis Flipflops S. „1-3“).
• Edgar Gaßner, Max Reidl: cmos4000, Datenlexikon und Vergleichstabelle integrierte Schaltungen. ECA GmbH München, 1990, ISBN 3-88109-040-1 (u. a. funktionelles Inhaltsverzeichnis Flipflops S. „1-4“).
• Edgar Gaßner, Max Reidl: cmos7400, Datenlexikon und Vergleichstabelle integrierte Schaltungen. ECA GmbH München, 1991, ISBN 3-88109-050-9 (u. a. funktionelles Inhaltsverzeichnis Flipflops S. „1-13“ bis „1-14“).

Weblinks

• Wikibooks – Digitale Schaltungstechnik zum Thema FlipFlops
• Flipflops interaktiv (Java erforderlich)
• Interaktive Simulation von verschiedenen Flipflop-Typen mit dem Hades simulation framework (englisch)
• Mehr Informationen zu RS- und JK-Flipflops (Homepage deutsch/englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ DIN EN 60617–12 Graphische Symbole für Schaltpläne – Teil 12: Binäre Elemente. April 1999, Deutsche Übersetzung der internationalen Norm IEC 60617–12:1997
2. ↑ The Radio Review. Dez. 1919, S. 143 ff.
3. ↑ Patent GB148582A: Improvements in ionic relays. Angemeldet am 21. Juni 1918, veröffentlicht am 5. August 1920, Erfinder: William Henry Eccles, Frank Wilfred Jordan.‌
4. ↑ Zur Geschichte: Robert Dennhardt: Die Flipflop-Legende und das Digitale: eine Vorgeschichte des Digitalcomputers vom Unterbrecherkontakt zur Röhrenelektronik 1837–1945. Kulturverlag Kadmos, Berlin 2009, Zugleich: Diss. Humboldt-Universität, Berlin 2007, ISBN 978-3-86599-074-7.
5. ↑ Wolfram Schiffmann, Robert Schmitz: Technische Informatik 1: Grundlagen der digitalen Elektronik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-18894-7, S. 240. 
6. 1 2 Datenblatt SN5474, SN54LS74A, SN54S74, SN7474, SN74LS74A, SN74S74, S. 5, Angaben zu den Parametern V_OH und V_OL.
7. ↑ Roland Woitowitz, Klaus Urbanski: Digitaltechnik: Ein Lehr- und Übungsbuch. 5. Auflage. Springer, 2007, S. 172
8. ↑ Christian Ellwein: Programmierbare Logik mit GAL und CPLD: Eine Einführung in die Schaltungsentwicklung mit Logikbausteinen in ISP-Technologie. Oldenbourg, 1999, S. 38
9. ↑ Manfred Rost, Sandro Wefel: Elektronik für Informatiker: Von den Grundlagen bis zur Mikrocontroller-Applikation. 2. Auflage. de Gruyter, 2021, Kap. 8.3.2
10. ↑ Hans-Joachim Adam, Mathias Adam: SPS-Programmierung in Anweisungsliste nach IEC 61131-3. 5. Auflage. Springer Vieweg, 2015, S. 103
11. ↑ Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 7. Auflage. Springer, 1985, S. 232
12. ↑ Karl Heinz Fasol: Binäre Steuerungstechnik: Eine Einführung. Springer, 1988, S. 88.
13. ↑ Utz G. Baitinger: Schaltkreistechnologien für digitale Rechenanlagen. de Gruyter, 1973, S. 203.
14. ↑ F. Dokter, J. Steinhauer: Digitale Elektronik in der Messtechnik und Datenverarbeitung – Band II. 3. Aufl. Philips Fachbücher, 1973, ISBN 978-3-87145-273-4, S. 21.
15. ↑ Erwin Böhmer: Elemente der angewandten Elektronik. 9. Aufl. Vieweg, 1994, ISBN 978-3-528-94090-4, S. 251.