8. 플립플롭 및 관련 소자 8-1 래치 8-2 에지트리거 플립플롭 8-3 매스터/슬레이브 플립플롭

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1 8. 플립플롭 및 관련 소자 8-1 래치 8-2 에지트리거 플립플롭 8-3 매스터/슬레이브 플립플롭
8. 플립플롭 및 관련 소자 8-1  래치 8-2  에지트리거 플립플롭 8-3  매스터/슬레이브 플립플롭 8-4  플립플롭의 동작 특성  8-5  플립플롭 응용 8-6  원샷 8-7  555 타이머 8-8 고장진단 8-9 프로그램 논리 디지털 시스템 응용

2 래치와 플립플롭 : 쌍안정 (bistable) 소자
외부 조건(입력)이 변하지 않는 한 SET(1)과 RESET(0)이라 불리는 두 안정된 상태중 한 상태를 계속 유지: 저장 장치로 사용 래치(latch): 입력이 변할때마다 출력이 변함 플립플롭(flip-Flop): 입력이 변해도 클럭이 들어올 때만 출력이 변함 원샷 : 단안정 (monostable) 멀티바이브레이터 하나의 안정된 상태만을 가지고 있으며 트리거 되면 일정한 폭을 가진 펄스를 발생 비안정 (astable) 멀티바이브레이터 : 오실레이터 안정된 상태를 갖고 있지 않고 스스로 지속적인 파형을 발생

3 8-1 래치 S-R 래치 진리표 S R Q 0 0 0 1 1 0 1 1 Q Prohibited

4 응용 예 <예제 8-1> 입력과 출력에 대한 타이밍 선도를 그려라.
기계적 스위치의 접촉-되튐(contact-bounce) 현상 제거

5 74LS279 quad S-R 래치

6 게이티드 S-R 래치 EN에 HIGH가 입력되었을 때만 래치의 상태를 제어 <예제 8-2> 입력과 출력에
대한 타이밍 선도를 그려라.

7 게이티드 D 래치 D 래치: S-R 래치에서 Q=D 74LS75 quad 게이티드 D 래치

8 8-2 에지트리거 플립플롭 플립-플롭 : 동기 쌍안정 (synchronous bistable) 소자 에지-트리거 플립-플롭
8-2  에지트리거 플립플롭 플립-플롭 : 동기 쌍안정 (synchronous bistable) 소자 제어 입력 C로 표시되는 클럭(CLK)이라는 트리거 입력이 발생할 때만 출력 상태가 변화 : 출력의 변화는 클럭과 동기 에지-트리거 플립-플롭 클럭 펄스의 positive edge (혹은, rising edge) 혹은 negative edge (혹은, falling edge)에서만 상태가 변화

9 에지-트리거링 방법

10 에지-트리거 S-R 플립-플롭 동기 입력(synchronous input) : S 및 R 입력
<예제 8-4> 입력과 출력에 대한 Timing diagram을 그려라

11 에지-트리거 D 플립-플롭 <예제 8-5>

12 에지-트리거 J-K 플립-플롭 에지트리거 S-R 플립플롭과 동작원리는 같으나 비허용조건이 없음
<예제 8-6>

13 동기/비동기 입력 동기 입력 (synchronous input) 비동기 입력 S와 R, D, 그리고 J와 K 입력들
클럭 펄스의 트리거링-에지에서만 데이터가 출력에 전달 비동기 입력 클럭에 관계없이 플립-플롭의 상태를 바꾸게 함 PRESET(PRE)과 CLEAR(CLR), 혹은, direct set(SD)과 direct reset(RD)

14 <예제 8-8>

15 관련 소자들 74AHC74 D 플립플롭

16 74HC112 J-K 플립플롭 <예제 5-8>

17 8-3 매스터/슬레이브 플립플롭 데이터가 클럭 펄스의 리딩-에지에서 플립-플롭으로 들어가고 트레일링-에지에서 출력 종류
8-3 매스터/슬레이브 플립플롭 데이터가 클럭 펄스의 리딩-에지에서 플립-플롭으로 들어가고 트레일링-에지에서 출력 종류 펄스-트리거(pulse-triggered) 형 : 클럭 펄스가 활성화되어 있는 동안에는 데이터가 변경될 수 없음. 데이터 록-아웃(data lock-out) 형 : 데이터 변화에 대한 제약이 없음

18 펄스트리거 매스터/슬레이브 J-K 플립플롭
슬레이브 부눈은 클럭 펄스가 반전되어 입력되므로, 매스터 부분의 상태가 클럭 펄스의 트레일링-에지에서 슬레이브에 전달 클럭의 상승변이때의 J, K에 따라 클럭의 하강변이때 Q가 변함

19 <예제 8-10>

20 8-4 플립플롭의 동작 특성 전파지연 시간 (Propagation Delay Time)
8-4  플립플롭의 동작 특성 전파지연 시간 (Propagation Delay Time) 입력신호가 가해진 후 출력에 변화가 일어날 때까지 소요시간 tPLH : 클럭 펄스의 triggering edge로부터, 혹은 PRESET 입력에 따라 출력이 LOW에서 HIGH로 변이될 때까지의 시간 tPHL : 클럭 펄스의 트리거링-에지로부터, 혹은 CLEAR 입력에 따라 출력이 HIGH에서 LOW로 변이될 때까지의 시간

21 SET-UP 시간 (SET-UP Time)
펄스의 트리거링-에지 전에 입력이 일정한 레벨을 유지해야하는 최소 시간(ts) HOLD 시간 (HOLD Time) 클럭의 트리거링-에지 후에도 입력의 논리 레벨을 유지해야하는 최소 시간(th)

22 최대 클럭 주파수 (Maximum Clock Frequency) 펄스폭 (Pulse Widths)
플립-플롭이 신뢰성 있게 트리거될 수 있는 최대 속도 (fmax) 펄스폭 (Pulse Widths) PRESET 및 CLEAR 입력들에 대한 최소 펄스폭 (tw) 특히, 클럭은 최소 HIGH 시간과 최소 LOW 시간으로 설정 전력 소모 (Power Dissipation)     P ＝ VCC × ICC <예> 250 mW의 전력을 소비하는 플립-플롭 10개로 구성된 디지털 시스템이 있다고 가정. 필요한 전체 전력은 PTOT ＝ 10 × 250mW ＝ 2,500mW ＝ 2.5W 만약 플립-플롭이 ＋5V DC에서 동작한다면 전원이 공급하는 전류의 크기는

23 8-5  플립플롭 응용 병렬 데이터 저장

24 주파수 분할 (Frequency Division)
2 분주 4 분주

25 8 분주

26 계수 (Counting)

27 8-6 원샷 하나의 안정된 상태만을 갖는 단안정 멀티바이브레이터(monostable multivibrator)
8-6  원샷 하나의 안정된 상태만을 갖는 단안정 멀티바이브레이터(monostable multivibrator) 안정된 상태에 있다가 트리거가 되면 미리 정해진 시간 만큼 불안정한 상태에 머물다가 자동으로 안정된 상태로 돌아옴 불안정한 상태에 머무르는 시간은 출력의 펄스폭을 결정

28 종류 재트리거-불능 원-샷 (Nonretriggerable One-Shot)

29 IC 원샷 74121 Nonretriggerable One-Shot (a) (b) (c) 펄스폭 지정 (a) Tw = 30ns
(b)  Tw = 0.7 (2㏀) CEXT (c)  Tw = 0.7 REXT CEXT 단위 : ㏀ (R), pF (CEXT), ns (출력 펄스폭 tW), 내부 저항은 2Ω

30 <예제 8-13> 74121을 사용하여 약 100ms의 펄스폭을 가진 원-샷을 완성하라.
≪해≫   tw = 0.7 REXT CEXT    (CEXT는 pF, REXT는 kΩ, tW는 ns) REXT = 39 kΩ을 사용한다면, CEXT = 100×106 / (0.7 × 39) = 3.66 × 106 pF = 3.66F                   

31 74122 Retriggerable One-Shot
외부에 R과 C를 연결하지 않으면 대략 45㎱의 최소 펄스 폭 펄스폭 (tw)을 산정하기 위한 일반적인 공식 tw = 0.32 R CEXT ( ) 단위 : ㏀ (R), pF (CEXT), ns (출력 펄스폭 tW), 내부 저항은 10Ω

32 <예제 8-14> 74LS122에서 1㎲의 펄스폭을 만들기 위한 REXT와 CEXT의 값을 구하라.
≪해≫   CEXT＝560pF라 하고 REXT를 구해보자. tw = 0.32 REXT CEXT ( /REXT ) -> (0.32) CEXT REXT = tw - (0.7)(0.32)CEXT 이므로 REXT = 1000/(0.32 ×560) – 0.7 = 4.88 ㏀                

33 응용 예 연속적으로 등을 점멸하는데 사용되는 시퀀셜 타이머
고속도로 공사시 사용되는 차선변경 방향지시등이나 자동차방향 표시등에 사용 연속으로 1초씩 3개의 펄스를 생성 (74122 사용)

34 8-7  555 Timer monostable multivibrator (one-shot)나 astable multivibrator (oscillator) 2가지 서로 다른 모드로 사용 내부구조 비교기 : 양(＋) 입력 전압이 음(―) 입력의 전압보다 클 때 HIGH를 출력하고,     음(―) 입력 전압이 양(＋)입력 전압보다 클 때 LOW를 출력

35 전압분할기 : 트리거 레벨을 ⅓VCC로, threshold 레벨을  ⅔ VCC 로
  필요시 control voltage input을 사용하여 트리거 및 스레스홀드 레벨을 외부에서 조정 HIGH 트리거 입력이 ⅓VCC 아래로 떨어지면, 비교기 B의 출력이 LOW에서 HIGH로 바뀌어져 S-R 래취를 SET S-R 래취의 출력(핀 3)이 HIGH가 되면 discharge transistor가 OFF

36 LOW 스래스홀드 입력이 ⅔VCC 이상으로 높아져서 비교기 A의 출력이 LOW에서 HIGH로 될 때까지 래취의 출력은 HIGH가 유지
LOW 스래스홀드 입력이 ⅔VCC 이상이 되면 래취가 RESET되고, 이로 인해 출력이 LOW가 되어 디스차지 트랜지스터는 ON 스래스홀드 회로와 독립적으로 래취를 RESET시키려면 외부 RESET 입력을 사용

37 단안정(원-샷) 동작 (monostable operation)
tW ＝ 1.1 R1 C1

38

39 비안정 동작 (astable operation)

40 C1은 R1＋R2를 통해 충전되고 R2로만 방전 출력이 HIGH 상태인 시간(tH)은 C1이 ⅓VCC에서 ⅔VCC로 충전되는 시간에 좌우 : tH ＝ 0.7 (R1 ＋ R2) C1     출력이 LOW 상태인 시간(tL)은 C1이 ⅔VCC에서 ⅓VCC로 방전되는 시간에 따라 결정 :           tL ＝ 0.7 R2 C1   출력 파형의 주기 T ＝ tH ＋ tL ＝ 0.7 (R1 ＋ 2R2) C1 주기율(duty cycle)

41 R1과 R2 값에 따라 duty cycle이 조정 R2 ＞＞ R1이면 충전과 방전 시간이 거의 같아져 50%에 근접한 주기율이 가능 주기율을 50% 이하로 하려면 C1이 R1만을 통해서 충전, R2를 통해 방전이 일어나도록 수정해야 함         주기율 =

42 8-8 고장진단 2상 클럭 발생기

43 글리치 발생 글리치 제거 네거티브 에지트리거 플립플롭 사용

44 8-9 프로그램 논리 GAL 블럭선도

45 GAL22V10의 OLMC 액티브-LOW 출력의 조합 모드 액티브-HIGH 출력의 조합 모드

46 GAL16V8의 OLMC 조합 모드 심플 및 컴플렉스 레지스터 모드

47 디지털 시스템 응용 신호등 제어시스템의 타이밍 회로 설계

48 End of Chapter 8

49 연습문제 8-1

50 연습문제 8-4

51 연습문제 8-7

52 연습문제 8-12

53 연습문제 8-13

54 연습문제 8-14

55 연습문제 8-20 연습문제 8-29

56 연습문제 8-28 T=70ns 20ns 50ns