Mengenal rangkaian Flip-flop dan cara kerja rangkaian flip-flop pada teknik digital

Rangkaian Flip-flop dan cara kerja rangkaian flip-flop – Flip-flop merupakan salah satu pengaplikasian dari beberapa gerbang digital sehingga dapat menyimpan bilangan biner 1 bit. Pada dasarnya rangkaian Flip-flop terdiri dari sebuah rangkaian multivibrator bistabil.

Rangkaian Flip-flop juga merupakan dasar dari rangkaian memori yang sudah kita kenal sekarang. Karena rangkaian Flip-flop pada teknik digital memiliki sifat kondisi output yang tidak hanya bergantung pada kondisi input, akan tetapi bergantung juga pada kondisi input sebelumnya.

Flip-flop memiliki dua keluaran yang dinamakan sebagai kondisi Q dan Q’, yang mana Q’ adalah kondisi kebalikan dari Q. Rangkaian Flip-flop sudah ditemukan sejak tahun 1918 oleh seorang ahli fisika dari Inggris. Saat itulah dikembangkan rangkaian-rangkaian penyimpan data hingga saat ini. Bisa dikatakan Flip-flop merupakan rangkaian memori 1 bit dengan keluaran 1 atau 0 saja.

Saat ini dikenal beberapa jenis rangkaian Flip-flop, yaitu SR Flip-flop, JK Flip-flop, D Flip-flop, dan T Flip-flop

SR Flip-flop

SR Flip-flop meruapakan jenis flip-flop yang paling sederhana. Disebut sebagai SR karena flip-flop ini memiliki masukan Set dan Reset maka disebut dengan SR Flip-flop. SR Flip-flop terdiri dari satu rangkaian bistabil dan hanya dapat mengoperasikan satu bit bilangan biner.

Ada berbagai jenis konfigurasi yang dapat dibuat dalam membangun sebuat SR Flip-flop, diantaranya adalah dengan menggunakan dua buah gerbang NAND, atau dengan dua buah gerbang NOR. Kedua masing-masing gerabang (NAND atau NOR) dihubungkan saling menyilang, yakni output salah satu gerbang NAND dihubungkan ke bagian input gerbang NAND lainnya. Begitu juga halnya dengan gerbang NOR.

jenis-sr flip-flop

Dari gambar diatas terlihat bahwa RS Flip-flop memiliki dua masukan yang masing-masing terdiri dari input Set (S) dan Reset (R), begitu juga dengan outputnya juga memiliki dua buah masukan Q dan Q’. Arti set dan reset pada SR flip-flop adalah dengan menset kondisi input S, output Q akan menghasilkan kondisi 1, sedangkan me-reset flip-flop, output Q akan menghasilkan kondisi 0. Sedangkan kondisi output Q’ akan selalu berlawanan dengan Q.

Adapun tabel kebenaran dari SR flip-flop adalah sebagai berikut:

SRQ
00Kedaan terakhir
101 (set)
010 (reset)
11tak terdefinisi

Pada penggambaran rangkaian elektronika, SR flip-flop disimbolkan sebagai berikut:

simbol sr flip-flop

Cara kerja SR Flip-flop

Seperti pada penjelasan sebelumnya, Flip-flop SR dapat dibangun dengan menggunanaan dua buah gerbang NOR maupun gerbang NAND.

Prinsip kerja SR Flip-flop dengan gerbang NOR

sr flip-flop gerbang nor

Rangkaian diatas dibangun dengan 2 buah nor gate yang akan menghasilkan nilai output 1 pada Q jika salah satu inputnya berlogika 1. Misalnya, apabila input R diberikan kondisi logika 1 dan S=0, maka output Q akan menghasilkan logika 1. Karena output gerbang NOR pertama dihubungkan dengan input gerbang NOR yang kedua, maka pada saat output Q bernilai 1 maka output Q’ akan berkondisi sebaliknya.

Sekarang ketika input input R diberikan logika 0 dan S=1, maka output Q akan berubah menjadi 0 dan Q’=1. Namun jika R dan S sama-sama berlogika 0, maka output Q akan tertahan pada kondisi sebelumnya sampai kondisi input berubah kembali. maka dari itulah flip-flop disebut juga dengan memori 1 bit karena dapat menyimpan kondisi tadi.

Prinsip kerja SR Flip-flop dengan gerbang NAND

sr flip-flop gerbang nand

Sedikit berbeda dengan SR flip-flop dengan gerbang NOR, rangkaian flip-flop dengan gerbang NAND, output Q dan Q’ akan sama-sama berlogika 1 jika input S dan R berlogika 0. Hal ini berupakan kebalikan dari tabel kebenaran SR flip-flop yang menggunakan gerbang NOR. Namun pada flip-flop pada kondisi ini haruslah dihindari, itulah sebabnyak dalam tabel kebenaran tertulis tidak terdefinisi.

Pada flip-flop gerbang NAND, apabila kondisi S=1 dan R=0, maka output Q akan berlogika 1, yang mana output dari Q ini akan masuk juga ke bagian input gerbang NAND yang kedua, sehingga output gerbang NAND yang kedua akan menjadi 0, dan sebaliknya. Pada saat input S=0 dan R=1, maka kondisi output Q akan menjadi berubah menjadi 1. Namun apabila S dan R diubah menjadi sama-sams berlogika 1, maka output Q akan mengikuti kondisi sebelumnya. Berikut tabel kebenaran dari SR flip-flop dengan gerbang NAND.

SRQ
00tak terdefinisi
100 (reset)
011 (set)
11keadaan terakhir

Pada penggambaran rangkaian elektronika, SR flip-flop dengan gerbang NAND dapat disimbolkan sebagai berikut:

simbol sr flip-flop

Dalam pengaplikasian SR flip-flop, ada banyak sekali tipe IC (Integrated Circuit) yang dapat dipakai sesuai dengan kebutuhan perancangan. Baik itu IC TTL ataupun CMOS, salah satunya adalah IC TTL tipe 54LS279 yang berisi 4 SR flip-flop gerbang NAND yang ditunjukan sebagai berikut:

SN54LS279

Prinsip kerja SR Flip-flop dengan clock

Pada rangkaian elektronika digital yang menggunakan banyak flip-flop, maka flip-flop tersebut haruslah disinkronisasi agar dapat berjalan secara bersamaan. Karena pada SR flip-flop biasa tidak ada pengaturan sinkronisasi, maka diperlukan sebuah pengontrol untuk mengatur proses dari sr flip-flop agar dapat bekerja secara bersamaan yang dinamakan “clock”.

Dengan adanya penambahan clock, menjadikan output SR flip-flop akan berubah hanya pada saat pulsa clock diberikan. Dengan demikian ketika pulsa clock mengalami perubahan ke 0, maka output flip-flop tidak akan mengalami perubahan kondisi logika.

Flip-flop SR dengan clock memiliki 3 buah input dan 2 buah output karena adanya penambahan clock tadi. Berikut ini adalah contoh rangkaian SR flip-flop dengan clock yang dibangun dari gerbang NAND.

Rangkaian SR flip-flop gerbang NAND dengan clock

Dari rangkaian diatas dapat dijelaskan bahwa ketika input E diberikan logika 0, maka kedua output Q dan Q’ akan menghasilkan logika 0 bagaimanapun nilai input S dan R. Namun apabila input E diberikan logika 1 dengan input misalkan S=1, dan R=1, maka output Q akan menghasilkan logika 1 (set). Begitu juga sebaliknya apabila S=0 dan R=1 dengan input clock E=1, maka output Q akan menghasilkan logika 0. Pada pengaplikasiannya, input clock hanya diberikan sesaat saja agar output flip-flop dapat berubah kondisi set ataupun reset.

Berikut adalah tabel kebenaran dari SR flip-flop dengan clock:

SRQ sesudah clock
00Q sebelum clock
010
101
11tak terdefinisi

JK Flip-flop

Jk flip-flop merupakan jenis flip-flop yang dibangun dengan dua buah SR flip-flop clocked yang digabungkan menjadi satu. Yang mana kedua output dari flip-flop yang pertama dihubungkan dengan input flip-flop kedua secara berderet. Sedangkan output flip-flop yang kedua diumpanbalikan kepada input flip-flop yang pertama sehingga flip-flop yang pertama dapat disebut sebagai master (induk), dan flip-flop kedua disebut sebagai slave (pembantu). Sifat flip-flop yang kedua akan mengikuti sifat flip-flop yang pertama.

Dari gambar diatas dapat dijelaskan bahwa flip-flip yang pertama dapat bekerja apabila diberikan pulsa clock 1, sedangkan flip-flop yang kedua akan bekerja pada pulsa clock 0. Hal ini karena adanya gerbang NOT (inverter) dari input clock flip-flop yang pertama ke input flip-flop yang kedua.

Ketika input clock diberikan pulsa 1, maka flip-flop master akan meneruskan informasi yang diberikan dari input J-K, namun flip-flop slave belum bekerja. Namun ketika pulsa clock berubah menjadi 0, maka flip-flop master yang akan berhenti bekerja dan bagian slave-lah yang akan meneruskan informasi dan bekerja sebagai master.

Dari gambar diatas juga terlihat bahwa pada flip-flop yang pertama terdapat input set dan reset. Hal ini berfungsi untuk menset Q menjadi berlogika 1 tanpa terpengaruh oleh input J-K. Sedangkan input clock Cp berfungsi sebagai pengontrol set ketika dalam keadaan 0.

Pada saat input J=0 dan K=1, maka output Q akan berlogika 0 atau reset, itupun ketika pulsa pertama masuk ke input Cp yang bergerak dari 1 ke 0. Kemudian ketika input J=1 dan K=1, maka output Q akan berubah setiap pulsa clock Cp masuk dan bergerak dari 1 ke 0. Perubaahan seperti ini disebut juga dengan toggle.

Dari penjelasan tadi dapat disimpulkan sebagai berikut:

  • Ketika J=1 dan K=0 -> Q akan set pada clock yang pertama
  • Ketika J=0 dan K=0 -> Q akan berada pada keadaan terakhir atau dalam kondisi menyimpan
  • Ketika J=0 dan K=1 – Q akan reset pada clock Cp yang pertama
  • Ketika J=1 dan K=1 -> Q akan toggle.

Berikut ini adalah tabel kebenaran dari J-K flip-flop:

JKQn+1Keterangan
00Qnkondisi menyimpan
010kondisi reset
101kondisi set
110kondisi toggle

Dari tabel diatas, Qn merupakan output J-K ketika pulsa clock berlogika 0. Sedangkan Qn+1 merupakan output J-K ketika pulsa clock mulai turun dari 1 ke 0.

D Flip-flop

D Flip-flop merupakan salah satu rangkaian flip-flop yang populer dan banyak dipakai dalam rangkaian dasar memori. Karena fungsi D flip-flop yang real dapat menyimpan data 1 bit untuk sementara waktu. Waktu ini lah sering disebut dengan delay flip-flop atau D-Latch.

Pada dasarnya D Flip-flop ini hampir sama dengan SR Flip-flop dengan clock, hanya saja yang membedakannya adalah input S dan R dijadikan input D yang ditambahkan gerbang NOT (inverter).

rangkaian d flip-flop
Rangkaian D flip flop yang dibangun dengan menggunakan gerbang AND, NOR dan NOT.

Cara kerja D Flip-flop

Dari gambar diatas terlihat bahwa rangkaian flip-flop D tersusun atas SR flip-flop yang sedikit dimodifikasi dengan tambahan gerbang NOT (inverter) yang menghasilkan input baru D. Informasi data yang berada pada masukan D akan disimpan pada output Q hanya apabila input clock Cp dalam keadaan 1 pulsa. namun jika clock Cp berkondisi 0, maka perubahan informasi pada input D tidak akan mempengaruhi output Q sampai kondisi Cp 1 kembali.

Simbol D flip-flop

Pada contoh pengaplikasian D flip-flop dalam menyimpan informasi, ketika akan membuat penyimpanan data sebanyak 4 bit, maka diperlukan empat buah D flip-flop, dan seterusnya. Adapun contoh konfigurasi rangkaian D Flip-flop untuk menyimpanan data 4 bit adalah sebagai berikut:

rangkaian d flip-flop 4 bit
Contoh rangkaian D flip-flop 4 bit

T Flip-flop

T Flip-flip merupakan salah satu jenis flip-flop yang kedua outputnya diumpanbalikan kembali (feedback) ke bagian input SR flip-flop. Adapun rangkaiannya T flip-flop adalah sebagai berikut:

Rangkaian T flip-flop yang dibangun dengan 2 buah gerbang NAND dan dua gerbang AND

Dari gambar diatas dapat dijelaskan prinsip kerjanya bahwa ketika input T diberikan logika 0, sedangkan S dan R juga berkondisi logika 0, maka output Q akan menghasilkan logika 0 juga, untuk Q’ tentu akan berkondisi kebalikan dari Q, yakni 1. Ketika flip-flop dalam kondisi tersebut, maka input di bagian satu gerbang NAND memiliki logika 1 (set).

Ketika T diubah menjadi 1 dan S1, maka output Q yang sebelumnya berkondisi 0 akan berubah menjadi 1. Nah dari gambar terlihat bahwa output Q terhubung ke dalam input gerbang NAND yang kedua. Namun karena clock T berkondisi 1 hanya beberapa saat dan kembali menjadi 0, maka kondisi logika R akan 0 dan S tetap 1.

Pada kondisi tersebut, input R menjadi berlogika 1, artinya siap reset. Artinya output Q yang sebelumnya 1 akan berubah ke kondisi 0 jika input T mendapatkan pulsa 1 kembali. dan seterusnya, dan seterusnya sehingga output Q akan selalu berubah apabila input T mendapatkan pulsa 1.

Jika digambarkan dengan diagram waktu, rangkaian flip-flop T maka akan tampak seperti berikut:

diagram waktu t flip-flop
Diagram waktu T flip-flop

Add Comment