Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (663 artikelen): Op-amp cursus 25: flip-flop

(gepubliceerd op 19-03-2018)

Een op-amp is een typische analoge schakeling. In dit en volgende artikelen uit deze cursus zullen wij echter aantonen dat u een op-amp ook kunt gebruiken voor het opbouwen van de fundamentele schakelingen van de digitale elektronica. Wij beginnen met de flip-flop.

Het principe van de schakeling

Inleiding
Flip-flop’s zijn dé basisschakelingen van de digitale elektronica. Door middel van een flip-flop kunt u het even aanwezig zijn van een spanningspiekje 'bewaren'. Een flip-flop is dus een elektronisch geheugen dat in staat is het verschijnen van een kortstondig pulsje om te zetten in een in principe eeuwig durende uitgangsvariatie. Er bestaan honderden digitale IC’s die diverse uitvoeringen van flip-flop’s bevatten. Het ligt dus niet zo voor de hand voor deze functie een op-amp in te huren.
Toch kan het soms voordeliger zijn een flip-flop op te bouwen rond een op-amp, dan beroep te doen op een van de vele digitale flip-flop IC’s. Zeker nu er talloze IC’s in de handel zijn die vier identieke op-amp’s bevatten doet zich vaak de praktijksituatie voor dat u een op-amp’je over houdt en tegelijkertijd een flip-flop nodig hebt. Dan is het natuurlijk economischer de niet gebruikte op-amp toe te passen.

Het basisschema
De basisuitvoering van de op-amp als flip-flop is getekend in onderstaande figuur. De positieve ingang van de op-amp is door middel van een weerstandsdeler verbonden met de uitgang. Dezelfde opzet als bij de blokgolf oscillator! Overigens met hetzelfde doel: de spanning op de uitgang vast te leggen op één van de voedingsspanningen tot er iets gebeurt op de negatieve ingang. Dat 'iets' is in dit geval het verschijnen van een smal positief of negatief pulsje.
U kunt dit simuleren door het opnieuw gebruiken van de twee in serie geschakelde batterijtjes van 9 V, die al diverse keren in deze cursus zijn toegepast voor het toedienen van positieve of negatieve pulsjes. Verbindt de plus van de ene batterij met de min van de tweede batterij. Dat punt verbindt u met de massa van uw experimenteerprint. De twee overige batterij-aansluitingen soldeert u aan twee drukknopjes. De tweede aansluitingen van de drukknopjes gaan gemeenschappelijk naar de inverterende ingang van de op-amp. Deze ingang ligt bovendien door middel van de weerstand R1 aan de massa.
Als u de drukknop S1, verbonden met de positieve uitgang van de batterijen, even indrukt dan verschijnt er een pulsje van +9 V. Bij het indrukken van de tweede drukknop verschijnt er een pulsje van -9 V.

Let goed op!
U mag nooit ofte nimmer beide drukknopjes tegelijkertijd indrukken! U sluit dan de twee batterijen kort, waardoor er een vrij grote kortsluitstroom gaat lopen en de batterijen heet worden.

Experimenteer mee met deze cursus!

U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:

Hobby-lab: bouw een analoge trainer

De flip-fop op uw experimenteerprint
In onderstaande figuur hebben we de flip-flop uitgewerkt op uw experimenteerprint. Probeer eens op een tweede experimenteerprint een identieke schakeling op te bouwen en deze te sturen uit de uitgang van de eerste flip-flop!

Werking van de schakeling
Stel, zoals aangegeven in onderstaande grafiek, dat de uitgangsspanning van de op-amp bij het inschakelen van de voedingsspanning gelijk is aan de positieve voedingsspanning. De terugkoppeling zorgt ervoor dat de positieve ingang positief wordt ten opzichte van de negatieve ingang. Deze terugkoppeling zorgt dus voor het stabiliseren van de inschakelsituatie.

Voer nu door het indrukken van S1 op uw experimenteerprint een positief pulsje toe aan de negatieve ingang. De +9 V op deze ingang is positiever dan de +5 V op de positieve ingang, de op-amp klapt om. De uitgang gaat naar -10 V en de terugkoppeling zorgt ervoor dat de positieve ingang op -5 V komt te staan. De negatieve ingang is nog steeds positiever dan de positieve ingang, deze situatie is stabiel.
Nu laat u de drukknop los. De negatieve ingang van de op-amp gaat naar massa. Maar ook nu is deze ingang nog steeds positiever dan de -5 V spanning op de niet-inverterende ingang. De uitgang blijft dus op de negatieve voedingsspanning staan!

Conclusie
Het aanleggen van een korte positieve puls op de negatieve ingang zorgt voor het omklappen van de uitgangsspanning van +10 V naar -10 V. De schakeling werkt als geheugenelement, als flip-flop. Het zal duidelijk zijn dat u de schakeling weer in de beginstand kunt brengen door het op de negatieve ingang aanleggen van een negatief pulsje.
Als u deze schakeling wilt vatten in de terminologie van digitale schakelingen, kunt u stellen dat de op-amp als flip-flop voldoet aan de meest eenvoudige versie van de flip-flop: een S-R type, waarbij de set- en reset-functies op een en dezelfde ingang inwerken, maar tegengestelde polariteiten eisen. Bij vergelijking met het groot aanbod aan digitale flip-flop’s (R-S, D, J-K, etc.) heeft de op-amp dus maar beperkte gebruiksmogelijkheden.

Werken met een waarheidstabel
Bij digitale schakelingen, zoals deze flip-flop, kunt u het verband tussen de in- en uitgangsgrootheden grafisch samenvatten in wat wordt genoemd 'de waarheidstabel'. In zo’n tabel vult u de actie op de ingang(en) in de eerste kolom(men) in en noteert de reactie van de uitgang in de laatste kolom. Deze flip-flop is een uitstekend hulpmiddel om u vertrouwd te maken met het begrip waarheidstabel. In onderstaande figuur is de waarheidstabel van dit type flip-flip weergegeven.