Calabritto, 27.07.2006

FLIP-FLOP B.E.A.M.

Il flip-flop Beam nasce dalla necessità di avere a disposizione un elemento di memoria da utilizzare nei casi in cui occorre memorizzare un evento fintanto che sia utile. Ad esempio il mio primo uso è stato quello di rendere bistabile il funzionamento di un relè in modo da poterlo accendere o spegnere tramite due pulsanti o due comandi separati. Questo relè nel caso mio specifico serviva per accendere o spegnere il robot Dobby.

Ovviamente volevo cercare di rimanere nei canoni beam più classici cercando di usare solo neuroni fatti con inverter evitando di usare altri tipi di porte logiche convenzionali. L'idea è utile anche perché in questo modo ci si può approvvigionare di un solo tipo di circuito integrato (Not).

Funzione Latch S/R:

Per realizzare questo relè ho fatto uso di due neuroni Nv+ collegati secondo la seguente mappa biomorfica.

Mappa biomorfica del flip-flop.

Dalla mappa si può vedere che ogni neurone sembra avere due ingressi, in realtà l'ingresso contrassegnato con la lettera B è il punto di Bias, il punto cioè dove confluiscono il capo del condensatore, della resistenza e l'ingresso della porta logica.

Questa idea mi è venuta ristudiando il mio vecchio libro di testo di Elettronica “Gasparini Mirri”. Nella sezione dedicata ai multivibratori bistabili (flip-flop) erano descritti i multivibratori a BJT, Fet, Mosfet e tubi termoionici (all'epoca non si studiavano ancora le porte logiche) ed i vari accoppiamenti per gli ingressi di comando. Normalmente gli ingressi sono in base al transistor (nel nostro caso il BJT) ma nel circuito descritto, l'ingresso veniva applicato al collettore del transistor, anche perché questo è comunque collegato tramite una R alla base del transistor antagonista.

A questo punto mi sono detto che la cosa poteva essere applicata ad circuito con un solo ingresso ed una sola uscita come una porta Not ed ho iniziato a fare delle prove. Prove che sono descritte in questi appunti.

Premesso questo, passiamo allo schema elettrico vero e proprio:

Schema elettrico del flip-flop.

Vediamo che è formato da due neuroni, U1-R1-C1 e U2-R2-C2 la cui uscita si immette nel punto di bias dell'altro. Al momento tralasciamo Rrst anche se si intuisce lo scopo.

All'atto dell'accensione tutti e due ingressi arriveranno a livello alto H (che corrisponde a Vcc) ma uno dei due si propagherà all'uscita prima dell'altro a causa della diversità delle caratteristiche dei componenti che lo compongono.

Ipotizziamo che la porta logica più veloce sia U1, avremo quindi sequenzialmente le seguenti fasi:

1. U2-1 va a livello logico H

2. U2-2 passa quindi a livello logico L

3. a causa del collegamento, anche U1-3 andrà a livello logico L

4. quindi U1-4 andrà a livello logico L anche lui

5. U2-1 viene confermato al suo livello logico iniziale H

Da questo momento la situazione rimane stabile come in tabella:

U1-3	U2-1	U1-4	U2-2
L	H	H	L

A questo punto possiamo cambiare stato al flip-flop applicando un fronte di discesa al pin U2-1 mettendo a massa il condensatore C2. In questo modo si ripete la sequenza:

1. U2-1 a massa, porta U2-2 a livello logico H

2. U2-2, porta a livello logico H il pin di U1-3

3. A questo punto U1-4 passa dal livello logico H a livello logico L

4. Il livello logico L di U1-4 va su U2-1 che viene confermata a massa stabilizzando il flip-flop in questo stato.

Alla fine avremo la seguente Tavola della verità:

IN	U2-1	U1-3	U2-2	U1-4
stby	H	L	L	H
S	_    _ |_|	H	H	L
R	H	_    _ |_|	L	H

Naturalmente queste condizioni possono presentarsi anche inversamente se l'altra porta logica è più veloce o se le tolleranze delle resistenze fa si che un ingresso raggiunga prima dell'altro il livello logico H. E' stato notato infatti che se una resistenza veniva messa di un valore molto più bassa dell'altra (es. 2,2Mohm e 200Kohm) l'ingresso con la R più bassa faceva commutare la porta corrispondente in anticipo sull'altra.

Per ovviare a ciò sono state fatte varie prove ma è stato osservato che applicando un carico

R << R1 o R << R2

all'uscita di una porta logica, questa partiva sempre con livello logico L.

Questo è vero perché (esempio del disegno sopra) l'ingresso U1-3 all'accensione viene forzato a livello logico L dal partitore formato da:

R1 // Rrst

dove:

R1 >> Rrst [R1=2.2Mohm, Rrst=2200ohm].

Tale condizione cambia poi nel caso di una commutazione di stato forzata dall'ingresso S perché commutando a livello logico H il neurone U2-2, il partitore sarà ora formato da:

Rint(U2) // Rrst

dove:

Rint(U2) << Rrst [Rint=250ohm, Rrst=2200ohm]

forzando quindi a livello H il neurone U1-3.

Per semplificare il tutto sono state lasciate identiche le resistenze del gruppo RC di ogni neurone ed è stata applicata una resistenza verso massa di basso valore all'uscita Q del circuito Latch RS. Questa resistenza che determina quindi la funzione reset è quella denominata Rrst.

Funzione Latch Toggle:

Questo circuito Latch può anche essere usato nella funzione pseudo toggle usando un solo ingresso (uno qualsiasi) per commutare alternativamente l'uscita Q dallo stato L allo stato H e viceversa.

Non dico toggle ma pseudo-toggle perché la funzione originale fa si che l'uscita cambi stato ad ogni impulso fronte applicato al clock del flip-flop, fronte che deve essere sempre di salita o sempre di discesa.

Il nostro flip-flop invece non avendo ingressi di clock, esegue questa funzione usando a piacimento uno dei due ingressi. Portando cioè alternativamente l'ingresso verso la massa e verso il Vcc (inteso come impulso verso massa o impulso verso Vcc), l'uscita cambia stato passando da H a L e viceversa.

Note finali:

Naturalmente questo tipo di circuito è stato ideato per segnali lenti e non è stato testato su commutazioni veloci e con fronti simultanei ai due ingressi come ad esempio l'attivazione simultanea di due sensori collegati agli ingressi del flip-flop. Potrebbero verificarsi in questo caso dei comportamenti anomali ma questo esula dagli scopi di questo circuito.

© Domenico Mancini (aka greybear) 27.07.2006

Scritto il: 26.08.2010 - 21:40