Os elementos biestáveis

No artigo anterior analisamos os modos segundo os quais podemos saber o que acontece quando combinamos funções lógicas. Vimos os procedimentos utilizados para implementar um circuito a partir de uma tabela verdade ou ainda da expressão da função lógica. No entanto, as funções lógicas não consistem nos únicos blocos básicos usados nos projetos de circuitos digitais. Além dessas funções, existem outras e um grupo delas que executa funções de relevante importância nos equipamentos são as formadas pelos elementos biestáveis. Neste artigo veremos como funcionam estes elementos, os seus tipos e onde podem ser usados.

1 - OS FLIP-FLOPS

Os flip-flops são elementos de circuito que podem apresentar em seu funcionamento apenas dois estados estáveis. Não existem estados intermediários entre estes dois estados.

A aplicação de um sinal de entrada pode mudar o dispositivo de um estado para outro e como a qualquer momento podemos saber qual é o estado em que ele se encontra, é possível considerar este circuito como uma memória capaz de armazenar um bit.

O flip-flop é o elemento básico das chamadas memórias estáticas. Existem diversos tipos de flip-flops encontrados nos circuitos digitais e que analisaremos a partir de agora.

2 - FLIP-FLOP R-S

O Flip-Flop R-S (de Reset e Set) tem sua configuração com transistores mostrada na figura 1 e funciona da seguinte maneira:

Quando alimentamos o circuito, dada as mínimas diferenças que podem existir entre as características dos dois transistores, um deles conduzirá mais do que o outro. Supondo que este transistor seja Q1, há uma queda de tensão no seu coletor que reduz em consequência a corrente que polariza a base de Q2 via R2.

Nestas condições, a tensão do coletor de Q2 se mantém alta, realimentando a base de Q1 via R3 e a situação final do circuito é estabelecida: Q1 satura e Q2 fica no corte. O flip-flop encontra seu estado estável inicial.

O flip-flop R-S tem duas saídas representadas por Q e /Q, assim, na condição inicial estável, com Q1 conduzindo, Q estará no nível baixo (0) e /Q estará no nível alto (1).

O processo que leva o flip-flop a este estado inicial pronto para funcionaré muito rápido, não demorando mais do que alguns microssegundos.

Quando o flip-flop se encontra na situação indicada, com Q=0 e /Q=1, dizemos que ele se encontra “setado” ou armado.

A mudança de estado do flip-flop pode ser obtida aplicando-se um sinal conveniente na entrada. Como usamos transistores NPN para comutar o flip-flop, temos de fazer conduzir por um instante o transistor que está cortado, ou seja, devemos aplicar um pulso positivo na entrada correspondente.

Assim, estando o flip-flop na condição indicada, se desejarmos mudar o estado, aplicamos o pulso na entrada SET. O transistor Q2 conduz por um instante, realimentando via R3 a base de Q1 que é cortado.Com o corte, a tensão na base de Q2 sobe via polarização de R2 e mesmo que o pulso de disparo desapareça, o circuito se mantém no novo estado graças à realimentação.

Sua saída Q vai ao nível (1) e a saída /Q vai ao nível (0).

Para trocar novamente de estado o flip-flop R-S, aplicamos um pulso positivo na entrada RESET, levando Q1 à saturação e Q2 ao corte, situação que se firma mesmo depois de desaparecido o pulso graças à realimentação proporcionada pelos resistores.

Veja que um pulso aplicado à entrada SET, o que corresponde a um bit 1, faz com que a saída Q que estava em 0 passe a 1, armazenando este bit. O flip-flop funciona realmente como uma memória para este bit.

Da mesma forma como utilizamos transistores bipolares NPN para obter um flip-flop, podemos também empregar outros tipos de componentes em configurações semelhantes. Podemos, por exemplo, elaborar flipflops
usando transistores PNP, caso em que a polaridade dos sinais de disparo vai ser invertida.

Da mesma forma, podemos usar transistores de efeito de campo, tanto de canal N como canal P (bipolares ou JFETs) como também transistores de efeito de campo MOS com os dois tipos de canal (N ou P). O que mudará em cada caso é o sentido de circulação das correntes e as polaridades dos sinais aplicados.

Conforme veremos na última parte desta lição, os flip-flops também podem ser feitos com válvulas e na realidade os primeiros que existiram eram justamente montados com estes componentes. Naquela época não existiam transistores e nem circuitos integrados.

Os flip-flops podem ser elaborados com portas lógicas e o R-S que estudamos pode ser facilmente obtido a partir de duas portas NAND de duas entradas, figura 2.

Levando em conta as tabelas verdade das portas NAND veremos que a saída da primeira porta realimenta a segunda e vice-versa, garantindo assim a manutenção dos estados obtidos quando o flip-flop comuta.

No entanto, a comutação deste circuito ocorre quando as entradas passam do nível alto para o baixo, ou seja, de 1 para 0. Esta condição é indicada pelos símbolos /R e /S na entradas.

O leitor pode então perceber que, quando as entradas estão ambas no nível baixo, o flip-flop se mantém no estado em que foi colocado por ser ligado ou por uma comutação anterior.

Por outro lado, se as entradas forem levadas simultaneamente ao nível alto, o flip-flop irá para um estado indeterminado que deve ser evitado. Na prática, a aplicação de níveis altos (1) nas duas entradas pode destruir o dispositivo.

O diagrama de tempos da figura 3 mostra o que ocorre no funcionamento de um flip-flop por etapas que podemos analisar da seguinte forma:

a) Flip-flop resetado

b) /S vai ao nível baixo e o flip-flop é setado

c) /S vai ao nível alto e o flip-flop permanece setado

d) /R vai ao nível baixo e o flip-flopé ressetado

e) /R volta ao nível alto e o flipflop permanece ressetado

Tudo isso pode ser representado por uma tabela verdade, da mesma forma que fazemos com as funções lógicas. Nesta tabela temos alguns novos símbolos com os quais o leitor deve começar a familiarizar-se e que são amplamente usados em Eletrônica Digital, a saber:

a) Primeira possibilidade

Qn-1 = representa o estado da saída Q ANTES da aplicação dos sinais.
Qn = representa o estado da saída Q DEPOIS da aplicação dos sinais.

b) Segunda possibilidade

Q = representa o estado da saída Q ANTES da aplicação dos sinais.
Qn+1 = representa o estado da saída Q DEPOIS da aplicação dos sinais.

Obs: em lugar de n em alguns livros encontramos a letra t.

Os dois tipos de representação são usados.

Nas colunas e linhas em que são colocados os níveis lógicos 0 e 1 , quando aparece o termo Qn ou /Qn significa que a saída vai para um estado indeterminado.

A tabela verdade do flip-flop R-S com portas NAND fica então:

Para obtermos um flip-flop R-S também podemos usar portas NOR, conforme a figura 4.

Na figura 5 temos os símbolos adotados para representar este tipo de flip-flop.

Este circuito também é chamado de R-S NOR LATCH da mesma forma que o circuito anterior é denominado R-S NAND LATCH.

3 - FLIP-FLOP RS COM CLOCK E MESTRE-ESCRAVO

Estes circuitos chamados de flipflop R-S controlados por clock e mestre escravo encontram uma gama de aplicações muito grande nos circuitos digitais mais complexos, já que estes são sempre comandados por um clock, ou seja, são circuitos lógicos sincronizados.

O uso de um circuito de controle (mestre) que determina quando o flipflop (escravo) muda de estado é importante para permitir que as mudanças de estado do flip-flop só ocorram em determinados instantes.

Usando portas NAND podemos inicialmente implementar um flip-flop R-S controlado por clock (Master- Slave), conforme a figura 6.

Analisemos seu funcionamento:

Partindo da situação em que a entrada de clock (relógio) esteja no nível baixo, as saídas Q e /Q permanecerão no estado inicial em que se encontravam e insensíveis a qualquer variação que ocorra nas entradas S e R.

Quando a entrada de clock for levada ao nível 1, o circuito passa a responder aos sinais das entradas R e S.

No entanto, conforme o diagrama de tempos da figura 7, este circuito tem um inconveniente.

Como as saídas acompanham as entradas, durante o tempo em que o clock as habilita, estas saídas podem mudar de estado mais de uma vez,voltando assim ao estado inicial, o que não é desejado de forma alguma.

Um modo de contornar este proble|ma consiste na utilização de duas etapas numa configuração mais complexa,que é apresentada na figura 8.

Este circuito é denominado Flip- Flop R-S Mestre-Escravo ou Flip-Flop R-S Master-Slave e faz uso de portas NAND e de um inversor, cuja finalidade é inverter o pulso de clock.

Neste caso, quando a entrada de clock for ao nível 1, o flip-flop mestre mudará de estado, mas o flip-flop escravo permanecerá insensível, mantendo seu estado.

Quando a entrada de clock passar para o nível lógico 0, a saída do flip-flop mestre será levada para o escravo.

Isso significa que o flip-flop em seu todo não é sensível ao nível do sinal de clock, ou seja, se ele é 0 ou 1, mas sim à sua transição. As saídas Q e /Q só vão mudar de estado no instante em que ocorrer a transição do sinal de clock do nível alto para o nível baixo. Com esta configuração é possível garantir que só vai ocorrer uma mudança
de estado na presença de um pulso de clock.

Os flip-flops que funcionam desta forma são denominados “Edge Triggered” ou “Disparados pela Borda”.

Se a mudança de estado ou disparo (gatilhamento) ocorre quando o sinal de clock passa de 0 para 1, os flip-flops são denominados “positive edge-triggered”, enquanto que, se o disparo ocorre quando o clock vai do nível 1 para 0, ou seja, na queda do nível lógico, os flip-flops são chamados de “negative edge-triggered”.

Neste tipo de circuito é muito importante levar em conta, num projeto de maior velocidade, os tempos em que todo o processo ocorre.

Assim, partindo do diagrama de tempos da figura 9, vemos que a saída do flip-flop só completa sua mudança de estado depois de um certo tempo, do pulso de clock ter sido aplicado.

Dois tempos são importantes neste tipo de circuito

a) tH: Hold Time ou Tempo de Manutenção é o tempo em que a entrada deve permanecer ainda no circuito para que seu nível lógico seja reconhecido pelo flip-flop.

b) tS: Setup Time ou tempo em que a entrada do flip-flop deve permanecer no estado desejado antes da transição do clock que vai provocar a mudança de estado do circuito.

Duas entradas podem ser acrescentadas neste circuito, verifique a figura 10, dotando-o de recursos importantes
para aplicações práticas.

Uma das entradas é denominada PRESET (/PR) ou pré-ajuste e tem por função levar imediatamente as saídas do circuito a um estado determinado (Q=1 e /Q=0), independentemente do que esteja acontecendo nas demais entradas.

Sua ativação ocorre quando /PR estiver em 0 e /CLR em 1, no caso apresentado, pois a / sobre a identificação
indica que ela está ativa no nível baixo.

A outra entrada denominada CLEAR ou apagamento tem por função levar as saídas aos estados Q=0 e /Q=1, independentemente do que estiver ocorrendo nas demais entradas.

É importante observar que estas duas entradas não podem ser ativadas ao mesmo tempo, pois isso levaria o circuito a um estado indeterminado que inclusive poderiacausar problemas aos seus componentes.

A tabela verdade para este circuito nos mostra três novos símbolos que normalmente são usados em Eletrônica Digital.

X representa uma condição irrelevante qualquer que ela seja, não haverá influência no que ocorre na saída.

A seta para cima indica a transição do nível baixo para o nível do sinal na entrada ou saída representadas, enquanto que a seta apontando para baixo indica uma transição do nível baixo para o nível alto do sinal correspondente.

4 - O FLIP-FLOP J-K MESTRE-ESCRAVO

O flip-flop J-K mestre-escravo ou“master-slave” pode ser implementado por funções lógicas comuns, adquirindo a configuração básica mostrada na figura 11.

Um problema que observamos nos flip-flops R-S é que temos uma situação “proibida” que ocorre quando as entradas R e S vão ao nível alto ao mesmo tempo e que pode levar o circuito a um estado indeterminado.

Esta situação acontece principalmente nas aplicações em computação, quando uma parte do sinal de saída é usada para realimentar a entrada. Nestas condições podem ocorrer as situações de conflito com a produção de oscilações indesejadas.

Esta situação pode ser contornada com a utilização de uma nova configuração, que é justamente a do flipflop J-K utilizada nas aplicações práticas e que analisaremos a seguir.

Podemos ter quatro combinações possíveis para os sinais aplicados nas entradas J e K, conforme observamos na tabela abaixo.

Analisemos cada uma das combinações:

a) J=0 e K=0 Quando a entrada de clock (CLK) passa por uma transição negativa do sinal, o flip-flop mantém sua condição original, ou seja, não muda de estado.

b) J=1 e K=0 Quando a entrada de clock (CLK) passa por uma transição negativa, o flip-flop é “setado”. Se já estiver setado, ele permanece nesta condição.

c) J=0 e K=1 Quando a entrada de clock (CLK) passa por uma transição negativa, o flip-flop é “ressetado”. Se já estiver nesta condição, ele permanece.

d) J=1 e K=1 Nesta condição, ao receber uma transição negativa na entrada de clock (CLK), o flip-flop muda de estado (TOGGLE). Se estiver setado, ele resseta e se estiver ressetado, ele é setado.

Podemos elaborar a tabela verdade da figura 12 para indicar o que ocorre com este flip-flop.

Observe o uso das setas para indicar as transições de sinal na entrada de clock que comandam o funcionamento
deste tipo de circuito.

Da mesma forma que nas outras configurações estudadas, podemos também incluir as entradas de PRESET e CLEAR neste circuito que ficará da maneira apresentada nafigura 13.

Uma tabela verdade incluindo as entradas de PRESET (PR) e CLEAR (CLR) é mostrada na figura 14.

Uma maneira melhor de analisarmos o funcionamento deste circuito é através de um diagrama de tempos, em que observamos as formas de onda nos diversos pontos de entrada e saída. Este diagrama de tempos para o flip-flop J-K é mostrado na figura 15.

Analisemos alguns trechos importantes deste diagrama mostrando o que acontece:

a) Neste instante CLR e PR estão no nível baixo, Q e /Q estão no nível alto, que é uma condição não permitida.

b) Aplica-se então o sinal PR, que indo ao nível alto, faz com que o flipflop seja ressetado.

c) A aplicação de um pulso na entrada CLR que vai ao nível alto, e a ida de PR ao nível baixo fazem agora com que o flip-flop seja setado.

d) CLR e PR são mantidos no nível alto a partir deste instante. Com J=0 neste trecho e K indo ao nível alto, o flip-flop será ressetado na próxima transição negativa do sinal de clock.

e) Ainda com CLR e PR no nível alto (esta condição se manterá daqui por diante) e a saída J=0 e k=1, o flipflop permanecerá ressetado.

f) Com J=1 e K=0, o flip-flop é setado na transição seguinte do pulso de clock.

g) Com J=1 e K=0, não ocorrem mudanças de estado.

h) Com J=1 e K=1 na transição seguinte do pulso de clock, o flip-flop muda de estado (complementa ou“toggle”). Se estiver ressetado, como neste caso, ele é setado.

i) Mantendo J=1 e K=1 com nova transição do pulso de clock, o flip-flop muda de estado outra vez, ou seja, complementa.

Veja que quando as entradas J e K estão no nível alto, o circuito se comporta como um disparador, mudando de estado a cada transição negativa do pulso de clock.

5 - O FLIP-FLOP TIPO D

Este é também um circuito de flipflop muito usado, cujo símbolo é mostrado na figura 16.

Este flip-flop possui uma única entrada que comanda todo o circuito. Esta entrada é que lhe dá nome. Denominada “Data” (dados), é abreviada por D, daí o nome do dispositivo.

Este flip-flop opera de uma maneira muito simples: no pulso de clock, ele assume o estado da entrada, conforme
podemos ver pela sua tabela verdade:

6 - FLIP-FLOP TIPO T

O nome vem de “Toggle” ou complementação, seu símbolo é mostrado na figura 17.

O que este circuito faz pode ser entendido facilmente pelo diagrama Diagrama de tempo do flip-flop J-K. Figura 16 - Símbolos do flip-flop D. de tempos mostrado na figura 18. Quando a entrada T deste circuito está no nível baixo, o flip-flop se mantém em seu estado anterior, mesmo com a aplicação do pulso de clock. No entanto, quando a entrada T está no nível alto, o flip-flop muda de estado. Se estava setado, ele resseta e se estava ressetado, ele seta.

Este comportamento significa na realidade a divisão da frequência de clock por dois. Em outras palavras, este circuito se comporta como um divisor de frequência, encontrando aplicações práticas bastante importantes em Eletrônica Digital.

Um exemplo de aplicação é dado na figura 19 em que associamos diversos flip-flops do tipo T em série, de modo que passando através de cada um, a frequência do sinal de entrada é divida por 2.

Usando 4 flip-flops, podemos dividir a frequência por 2, 4, 8 e 16.

Este tipo de divisor de frequênciaé muito usado, existindo até circuitos integrados que possuem sequências de mais de 10 flip-flops ligados desta forma.

Na prática não temos os flip-flops tipo D como componentes prontos para uso. Estes flip-flops podem ser obtidos a partir de outros e isso será visto no item seguinte.

7 - TRANSFORMANDO FLIP-FLOPS

Da mesma maneira como podemos obter qualquer função lógica complexa a partir de funções simples, o que foi visto em lições anteriores, também podemos “brincar” com os flip-flops, obtendo outros tipos a partir de um tipo básico.

Assim, usando um flip-flops R-S ou J-K que são comuns e algumas portas lógicas, podemos obter flipflops de outros tipos.

Na figura 20 temos algumas conversões que podem ser feitas utilizando- se flip-flops do tipo R-S.

O modo de funcionamento de cada um pode ser facilmente entendido se o leitor tentar associar as tabelas verdade dos flip-flops que foram estudados nesta lição às tabelas verdade das portas agregadas, considerando os sinais de realimentação.

Na figura 21 temos o modo de obter flip-flops tipo D e T a partir de flip-flops do tipo J-K.

Veja que a simples conexão da entrada K ao J no flip-flop do tipo J-K o transforma em um flip-flop tipo T. Esta possibilidade é muito interessante, já que flip-flops J-K são disponíveis em tecnologia TTL e CMOS e podem ser usados em circuitos divisores de frequência. Na verdade, já utilizamos esta configuração em diversos projetos práticos que publicamos. Finalmente, temos outras duas transformações importantes de flip-flops mostradas na figura 22.

No primeiro caso temos uma transformação de um flip-flop tipo D em flip-flop tipo T, bastando para isso que a saída complementar /Q seja ligadaà entrada D, realimentando o circuito.

A segunda transformação, que leva um flip-flop tipo D a funcionar como tipo T, exige o emprego de uma porta AND adicional na realimentação do sinal que é retirado da saída complementar /Q.

8 - NOS COMPUTADORES

Encontramos os flip-flops nos computadores como elementos fundamentais de muitos circuitos.

Uma aplicação é na própria divisão de frequência dos clocks. Conforme o leitor sabe, existem setores de um PC que devem operar com velocidades menores que a fornecida pelo clock principal. É o caso dos barramentos onde são ligadas as placas de expansão, os modems e as saídas de dados paralela e serial.

Assim, em lugar de usar um clock para cada frequência desejada, o que se faz é empregar um clock único e dividir sua frequência conforme as exigências de frequências mais baixas, observe a figura 23.

No caso dos computadores, tanto o próprio clock como a sequência de flip-flops divisores podem ser obtidos num único circuito integrado.

Um ponto importante que deve ser levado em conta e que estudaremos nas lições futuras é a possibilidade de ligar os flip-flops em conjunto com outras funções, de modo que a frequência possa ser dividida por qualquer número e não somente por potências de (2,4,8,16,32,64, etc).

Outra aplicação importante é como célula de memória. Oito flipflops ligados lado a lado podem armazenar um byte inteiro. Cada flip-flop armazena um bit. Existem diversas memórias internas de um PC que nada mais são do que flip-flops que podem ser habilitados tanto para a leitura de dados como para introdução (gravação de dados). Existem ainda outras funções importantes implementadas a partir de flip-flops e que serão estudadas futuramente.

9. OS FLIP-FLOPS ANTIGOS

A configuração do flip-flop não é nova. Na verdade, foi em 1919 que dois pesquisadores americanos chamados Eccles e Jordan apresentaram o primeiro circuito de flip-flop usando válvulas, confira na figura 24.

Por este motivo, muitos ainda chamam os flip-flops de “Básculas ou Circuitos Eccles-Jordan”. Em 1930, os físicos já usavam estes circuitos ligados em série para dividir a contagem dos pulsos de contadores Geiger de radiação e obterem valores menores mais facilmente totalizados nas pesquisas.

Um contador binário usando uma lâmpada neon ligada às válvulas foi desenvolvido usando estes flip-flops em 1940, mas foi somente depois disso que os primeiros computadores digitais passaram a usar estes circuitos de uma forma mais intensa, até o advento do transistor e depois dos circuitos integrados.