「Dフリップフロップ」の解説(1)

「ボタンが押された」、「起動後一定の時間が経過した」、「センサが異常を検出した」など、何かが起こった時や、何かをこれからしなければならない等の状況でHになり、それらの条件が成立しない時にはLになる信号を、正論理の信号といいます。逆に、何かが起こった時や、何かをこれからしなければならない等の状況でLになり、それらの条件が成立しない時にはHになる信号を、負論理の信号といいます。

負論理の信号には、信号名に上線を付けて、負論理である事を示す習慣になっています。

例えば、平時にはLになっていて、温度センサが異常に高い温度を検出した際にHとなって警告する正論理の信号には、HOTの様な信号名を付けるでしょう。逆に、平時にはHになっていて、異常に高い温度になったらLとなって警告する負論理の信号は、HOTと、上線を付けて表示する習慣になっています。(あくまで習慣ですので、上線を付けずにHOTという信号にして、それが負論理である事は、真理値表やタイミングチャートなどで説明するという考え方もあります)

回路図上の表記に関して言えば、負論理の端子には〇印を付ける習慣があります。

例えば、AND回路の出力端子が負論理になったNAND回路は、図9の様にAND回路の出力端子に〇印を付けて表記するのはご存知でしょう。

図9のNAND記号の〇印は、図10の様にNOT回路が省略表記されたものと考える事もできます。(おそらくそう解釈できるように〇印の記号を考えたのでしょう)

NANDやNORなどの基本ゲート以外の論理回路でも、負論理の信号には端子に〇印を付ける習慣があります。これは習慣なので、〇印を付けないと間違いという訳ではありません。

注:NAND回路の記号の先端の〇をつけるかどうかは、任意という訳ではありません。必ず〇印を付ける必要があります。NAND回路の記号から〇を取ると、AND回路と区別できなくなります。また、図9に示したNAND回路の回路記号は、俗に"MIL記号"と呼ばれていて、MIL規格(アメリカ軍の物資の調達に使われる規格)のMIL-STD-806で規定されていた記号です。(MIL-STD-806は、現在では廃止されています) MIL-STD-806ではAND回路の記号の先端部に〇を書くのがNAND回路の回路記号だと決められていました。それだけではなく、AND回路の記号の直線部と半円の寸法の比やNAND回路記号の本体側(AND回路側)と先端の円の大きさの比など、寸法が細かく決まっていました。(このサイトの基本ゲートの記号は、細かい寸法比までMIL記号通りに書いている訳ではありません) 日本では、JIS規格に従った回路記号を使う事を推奨されているのですが、全ての論理ゲートを長方形で書き、長方形の中の文字で機能を区別するJIS記号は使い勝手が悪く、電子回路設計の実務の現場で使う人は、まずいません。MIL記号がデファクトスタンダードになっています。

先に、負論理の信号には上線の付いた信号名を付ける事と、負論理の信号線には端子部分に〇をつける事を説明しましたが、これらを組み合わせると、少し問題が生じます。

図7の回路記号は、その次に示す図11や図12の書き方でも書けてしまいます。

図7、図11、および図12の表記法には、見る人の立場によって、それぞれ図13～図15の様な批判が出ます。

図7、図11、および図12の回路記号は、いずれも実際に使われているのですが、一番よく使われているのは図12の回路記号の様です。しかし、このページでは図7の表記法で書く事にします。これは、筆者の好みによります。(図11の様に回路記号内部に書く信号名と実際の信号名が違うと、回路図CADを扱う場合に不便ですし、負論理の〇が付いていないと、一見して負論理だとわかりにくいからです)

なお、信号名を回路記号の中に書かない図9のNAND回路の様な場合は、負論理を示す方法が〇印を端子に付加する方法しかなく、信号名に上線を付ける事はできないため、図13～図15の様な問題は発生しません。

フリップフロップと呼ばれる回路は、Dフリップフロップ以外にも何種類かありますが、いずれも1ビットの情報を記憶する作用を持っています。そして、フリップフロップは、図16に示す様な、2つのNOT回路が環状に接続された回路の構造を1つ以上持っています。

図16では、INV1とINV2の2つのNOT回路が環状に接続されています。そしてINV1の出力をQ信号として、またINV2の出力をQ信号として外部に取り出して、状態を観察できるようにしてあります。

図16の回路には、図17と図18に示す2つの安定状態があります。

まず図17を見てください。この図ではQ信号がHになっています。INV2はこのHが入力されるとLを出力しますから、Q信号はLになります。今度はINV1にこのLが入力されてHが出力されますから、Q信号がHになります。

この様に、図17では、Q信号がHになる事を仮定したら、信号がINV2、INV1の順に通って、結果的にQ信号がまたHになりました。このため、電源が入っている限り、Q信号がHでQ信号がLの状態を維持するでしょう。よって、この状態は安定(時間的に信号が変化しない)といえます。

次に図18を見てください。この図ではQ信号がLになっています。INV2はこのLが入力されるとHを出力しますから、Q信号はHになります。今度はINV1にこのHが入力されてLが出力されますから、Q信号がLになります。

この様に、図18の状態も安定である事が分かりました。

図16の回路の様に、回路に安定な電圧分布が2つある状態の事を、双安定といいます。双安定な回路構成を組むことは、記憶素子を作る際に、基本的な事項となります。

参考:NOT回路を奇数個環状につなげた回路では、安定な状態にはなりません。例えば3個のNOT回路をつないだ図19(a)の様な回路を考えます。

この回路で、ある瞬間、(1)A信号がHだと仮定します。そうすると、A信号が入力されるNOT回路の働きにより、(2)B信号がLになります。さらにB信号が入力されるNOT回路の働きにより、(3)C信号がHになります。さらにC信号が入力されるNOT回路の働きにより、初期状態とは反対に、(4)A信号がLになります。初期状態が維持できませんから、この回路は不安定です。

この様に順に各所の真理値を計算していくと、タイミングチャートが図19(b)の様になる事が分かります。この様に、安定状態を持たない論理回路は発振するのです。

図19(a)の様に、NOT回路を奇数個、環状に接続して作った発振器は、リング発振器(リングオシレータ)と呼ばれます。リング発振器は、NOT回路が高速に動作するほど高い周波数で発振する性質を持っているので、新種のロジックデバイスを開発した時に、そのデバイスの速度の評価に使われます。

図16の回路は、Q信号がHの安定状態と、Q信号がLの定状態を持ちます。ここで、Q信号がLの安定状態になっている事を、「フリップフロップがHを記憶している」と呼ぶことにします。同様に、Q信号がLの安定状態になっている事を、「フリップフロップがLを記憶している」と呼ぶ事ににします。

フリップフロップの記憶の仕組みは、図16の回路が基礎になっているので、Q信号と同時にQ信号も発生するのです。

ところで、図16の回路は双安定なので、確かに1ビットの情報を記憶しますが、好きな情報を記憶できるわけではありません。図16の回路の電源投入時の状態は不定です。2つのNOT回路の入力電圧の閾値のわずかな差や、たまたまその時に発生したノイズなどの微妙な要素で初期状態が決まってっしまいます。

自分(回路の使用者)の好きな情報を記憶しようと思うと、双安定な回路構成にするだけでは不十分で、一方の安定状態から、もう一方の安定状態に遷移させる(移す)仕組みを組み込む必要があります。

この安定状態を遷移させる仕組みの回路構成により、RSフリップフロップ、JKフリップフロップ、Tフリップフロップ、Dフリップフロップなどのバリエーションが発生します。

安定状態を遷移させる仕組みについて説明すると、話が長くなるため、最も簡単な例のみをここで紹介しておきます。

図16の回路に抵抗を2個、押しボタンスイッチを2個付けて作ったのが図20の回路です。

S1とS2の2つのスイッチがOFFの状態では、図20の回路は図16の回路と同じ動作をします。つまり、Q信号がHでQ信号がLの安定状態(Hを記憶した状態)と、Q信号がLでQ信号がHの安定状態(Lを記憶した状態)のいずれかの状態を保持します。

注:S1とS2の2つのスイッチがOFFでも、回路の中にR1とR2の2つの抵抗が残りますが、これらの抵抗には電流が流れないので、電圧降下は発生しません。

スイッチS1のみをONにした場合は、INV1の出力がHかLかにかかわらず、Q信号がLになります。INV1の出力がHの場合は、Q信号の電圧を押し上げる方向にINV1の出力端子が電流を供給するものの、INV1の出力は抵抗R1を介してQ信号につながっており、一方でスイッチS1を介してQ信号がGNDにショートしているので、Q信号はLになります。Q信号がLになると、INV2の働きによりQ信号はHになります。

この様に、スイッチS1のみをONにすると、Q信号がLでQ信号がHになりますが、その後スイッチS1をOFFに戻しても、Q信号がLでQ信号がHの安定状態(Lを記憶した状態)を保持します。つまり、スイッチS1のボタンを押すと、フリップフロップに強制的にLを記憶させる事ができるのです。

この例の様に、外部からの操作で、フリップフロップに強制的にLを記憶させることを、リセットあるいはクリアといいます。

今度は、スイッチS2のみをONにする事を考えます。この場合は、INV2の出力値にかかわらず、Q信号がLになります。Q信号がLになると、INV1の働きにより、Q信号がHになります。つまりHを記憶した状態になります。この状態は、スイッチS2をOFFにしても維持されます。つまり、スイッチS2のボタンを押すと、フリップフロップに強制的にHを記憶させる事ができるのです。

この例の様に、外部からの操作で、フリップフロップに強制的にHを記憶させる事を、セットあるいはプリセットといいます。

S1とS2の2つのスイッチを共にONにした場合は、Q信号とQ信号が共にLになります。この状態は、2つの安定状態のいずれでもないので、S1とS2の2つのスイッチを共にOFFに戻した時に、Q信号がHでQ信号がLの安定状態(Hを記憶した状態)か、Q信号がLでQ信号がHの安定状態(Lを記憶した状態)かのいずれかに戻ります。どちらの安定状態に戻るかは、S1とS2のいずれのスイッチを先にOFFにするかで決まります。ただし、S1とS2を同時にONにした状態は、Q信号とQ信号の真理値が互いに論理反転していないという、例外的な状態になるため、2つのスイッチを同時にONにする操作は禁止するのが一般的です。

以上の様に、図20の回路は、スイッチ操作により、フリップフロップをリセットしたりセットしたりする事ができます。この様なフリップフロップをRSフリップフロップといいます。(RSは、リセット・セットの略) ただし、図20のRSフリップフロップは、Q信号あるいはQ信号を、スイッチでGNDにショートする事により操作する、やや特殊なRSフリップフロップです。外部からHまたはLの真理値を入力する事により動作する、普通のRSフリップフロップの回路構成や動作原理については、この用語集のRSフリップフロップの項を参照してください。