[논리회로] 플립플롭(Flip-Flop) - 개념 및 종류

플립플롭(Flip-Flop)

클럭신호

• 래치는 입력에 게이트를 추가하여 $Enable$ 신호가 들어오면 입력이 출력으로 나올 수 있었다.
• 래치는 $Enable$ 신호가 1이 되는 시간동안 입력을 출력으로 내보낼 수 있다. 하지만 플립플롭은 래치와 다르게 특정 한 순간에만 입력을 받을 수 있는데 이 때 사용되는 것이 바로 클럭(Clock)이다.
• 클럭(Clock) 신호는 $Level$과 $Edge$ 두가지로 나눌 수 있다.

래치의 경우 Level Trigger 소자이며, Clock 신호가 특정 레벨에 머물러 있을 때 입력이 출력으로 나갈 수 있다. 반면 플립플롭의 경우에는 Edge Trigger 소자이기 때문에 Clock이 0에서 1로 상승(혹은 1에서 0으로 하강)하는 순간에 입력이 출력으로 나갈 수 있게 된다.

---

 

---

 

S-R플립플롭

• 기존의 래치에서 CP의 신호가 S와 R에 각각 AND 연산되어 들어간다.
• CP=0인 경우
  S와 R의 입력에 관계없이 앞단의 AND 게이트 $G_{3}$과 $G_{4}$의 출력이 항상 0이므로 플립플롭의 출력은 불변
• CP=1인 경우
  S와 R의 입력이 회로 후단의 NOR 게이트 $G_{1}$과 $G_{2}$의 입력으로전달되어 S-R 래치와 같은 동작 수행

$Q(t+1) = S + \bar{R}Q, SR=0$

---

 

---

 

에지 트리거 S-R 플립플롭

기존의 SR플립플롭은 기본적으로 궤환(feedback)이 존재하는 회로이며, 클록펄스가 1인 상태에서 모든 동작이 수행된다. 그러므로 플립플롭의 동작시간보다도 클록펄스의 지속시간이 길게 되면 플립플롭은 여러 차례 동작이 수행될 수 있고 따라서 예측하지 못한 동작을 할 여지가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 에지 트리거를 이용하는 방법이 있다.

 

플립플롭의 출력은 입력신호의 순간적인 변화에 따라 결정되는데 이러한 순간적인 변화를 트리거(trigger)라고 한다. 트리거는 레벨트리거와 엣지 트리거 2종류로 분류된다. 앞서 설명한 SR플립플롭은 클록형으로서 클록이 1이면 계속해서 입력을 받아들인다. 이러한 플립플롭은 레벨 트리거라고 할 수 있다. 이에 반해 에지 트리거는 플립플롭의 내부 구조를 바꾸어 클록이 0에서 1로 변하거나 에서 0으로 변하는 순간에만 입력을 받아들이게 하는 방법이다.

 

에지 트리거는 위 그림과 같이 상승에지 트리거와 하강에지 트리거 2 가지가 있다. 상승에지 트리거는 정 에지 트리거, 하강에지 트리거는 부 에지 트리거라고도 한다.

회로도

진리표와 특성표

---

 

---

 

주종형(Master-Slave) S-R 플립플롭

• 레벨 트리거링을 행하는 플립플롭의 문제를 해결할 목적으로 많이 사용하는 방법 중 하나
• 주종형 플리블롭은 주(Master) 플립플롭, 종(Slave) 플립플롭 그리고 NOT 게이트로 구성된다.

그림에서 볼 수 있듯이 $CP=0$ 이면 NOT 게이트의 출력은 1이다. 종 플립플롭의 클록 입력은 1이므로 종 플립플롭이 동작하여 $Q$는 $Y$가 되고 $\bar{Q}$는 $\bar{Y}$가 된다. 주 플립플롭은 $CP=0$ 이므로 동작하지 않는다. $CP=1$ 이면 외부의 $S$와 $R$의 입력이 주 플립플롭에 전달된다. 그러나 $CP=1$ 동안에는 NOT게이트 출력이 0이므로 종 플립플롭은 동작하지 않는다. 다시 $CP=0$이 되면 주 플립플롭은 동작하지 않고 종 플립플롭만 동작하여 출력 $Q$는 $Y$와 같은 값을 갖는다.

 

주종형 플립플롭은 플립플롭 2개로 비교적 간단히 레벨 트리거링의 문제를 완화시켜준다. 즉, 외부로 나타나는 출력은 $Q$뿐이며, $Q$는 어떤 경우에라도 한 번만 정해진다. 한 클록 주기 동안 이것이 다시 궤환되어 입력으로 들어가 새로운 값으로 $Q$가 정해지지 않는다. 한 클록 주기 동안 한 번만 상태가 정의되기 때문에 주종형 플립플롭은 의미가 있는 것이다.

---

 

---

 

D 플립플롭

SR 플립플롭의 특수한 형태로, 가장 간단한 플립플롭이다. 입력 변수는 D 하나이다. 클럭의 에지에서 D에 0이 오면 다음 상태(Q+)도 0, 1이면 1이 되는 논리적으로 아주 간단한 회로이다. 즉 입력값과 같은 상태를 가진다.

마스터 슬레이브 D 플립플롭의 예시

NOT 게이트를 사용해 루프를 돌려서 마스터와 슬레이브를 각각 만들어 준 후 신호가 통과하는 것을 클럭에 따라 적절히 막기 위해서 트랜스미션 게이트(Transmission gate)를 중간 중간에 배치한 구조이다.

 

상승/하강 에지트리거 특성표

---

 

---

 

JK플립플롭

입력 변수가 J와 K 두 가지인 플립 플롭으로, SR 플립플롭의 확장된 버전이다. 기존의 SR 플립플롭에서 정의되지 않아 무관항으로 취급되던 11 입력에 토글(Toggle) 기능을 추가한 것이다. 네 종류의 플립 플롭 중에서 구조적으로 가장 복잡하지만 나머지 세 종류의 플립플롭의 기능을 모두 구현할 수 있으므로 가장 범용적이다. 나머지 00, 01, 10 입력은 SR 플립플롭과 동일하다. (입력 J는 기존의 S 역할을, K는 기존의 R역할을 한다.)

 

논리식: $Q+ = JQ' + K'Q$

---

 

---

 

T 플립플롭

JK 플립플롭의 특수한 형태(J = K인 경우)이다. 입력 변수로 T 하나만을 가지며, Toggle이라고도 읽는다. ( On ↔ Off ) 버튼처럼, 클럭의 엣지에서 T가 0이면 현재 상태(Q)의 값을 유지하고, T가 1이 되면 다음 상태(Q+)의 값이 현재 상태(Q)의 값의 정반대가 된다. JK 플립플롭을 변형시켜 토글 기능만 사용하도록 만들어서 구현하거나, D 플립플롭을 변형시켜 구현할 수 있다.

 

논리식: $Q^+ = T ⊕ Q = T'Q + TQ'$

 

---

 

추후 업데이트 예정···

• sr to d 
  https://www.youtube.com/watch?v=JEQVPKd3cUw
  
  
• sr to jk
  https://www.youtube.com/watch?v=-XhDWyyugU0
  
  
• jk to d
  https://www.youtube.com/watch?v=eIeU0MJiYhQ
  
  
• sr to t
  https://www.youtube.com/watch?v=oHavL-3aODY
  
  
• jk to sr, d to sr, t to sr
  https://www.youtube.com/watch?v=nfvnUdl8_N4
  
  
• d to t
  https://www.youtube.com/watch?v=vHnqabIzFU8
  
  
• t to jk
  https://www.youtube.com/watch?v=CnFqBC3vIJQ
  
  
• jk to t
  https://www.youtube.com/watch?v=JNV7p4xZ9TY
  
  
• t to d
  https://www.youtube.com/watch?v=lf0PtEfipDs

---