El flip-flop JK es un componente básico en electrónica digital, ampliamente utilizado para el almacenamiento de datos, contadores y diseño de lógica secuencial. Supera las limitaciones del flip-flop SR al eliminar estados no válidos y proporcionar funciones de control flexibles como Set, Reset, Hold y Toggle. Este artículo explica su principio de funcionamiento, estructura interna, tablas de verdad, tipos, aplicaciones y uso práctico.
Descripción general de JK Flip-Flop
Un flip-flop JK es un circuito lógico secuencial biestable que almacena un bit de datos utilizando dos estados estables. Tiene dos entradas (J para Set, K para Reset), dos salidas (Q y Q′) y una entrada de reloj (CLK). Las entradas opcionales Preset (PR) y Clear (CLR) permiten el control asíncrono.
Los flip-flops JK admiten dos modos de funcionamiento:
• Modo síncrono: la salida cambia solo en la entrada del reloj.
• Modo asíncrono: Preset y Clear anulan el reloj y fuerzan los cambios de salida inmediatamente.
A diferencia de un flip-flop SR, el flip-flop JK evita el estado no válido. Cuando J = K = 1, realiza una operación de alternancia, la salida se activa en cada pulso de reloj debido a la retroalimentación interna.
Tabla de verdad y tabla de estado JK Flip-Flop
Tabla de verdad (con entradas asíncronas)
Esta tabla muestra cómo responde la salida a las entradas sincronizadas y a las condiciones asíncronas preestablecidas/borradas.
| Relaciones públicas | CLR | CLK | J | K | Q(n+1) | Operación |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | X | X | X | 1 | Conjunto asíncrono |
| 1 | 0 | X | X | X | 0 | Restablecimiento asíncrono |
| 1 | 1 | 0 | X | X | Qn | Sin cambios |
| 1 | 1 | ↑ | 0 | 0 | Qn | Mantener |
| 1 | 1 | ↑ | 1 | 0 | 1 | Conjunto |
| 1 | 1 | ↑ | 0 | 1 | 0 | Restablecer |
| 1 | 1 | ↑ | 1 | 1 | Q̅n | Alternar |
Tablas de estado (tablas de características y excitación)
La tabla de verdad se puede simplificar en dos tablas de estado importantes que se utilizan en el diseño y el análisis.
Tabla de características
Define la salida del siguiente estado en función de las entradas y el estado actual.
| J | K | Pregunta(n) | Q(n+1) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | Qn | Qn (Mantener) |
| 1 | 0 | Qn | 1 (Juego) |
| 0 | 1 | Qn | 0 (Reiniciar) |
| 1 | 1 | Qn | Q̅n (Alternar) |
Ecuación característica:
Q(n+1) = J· Q̅n + K̅· Qn
Tabla de excitación
Define las entradas necesarias (J, K) para lograr una transición específica.
| Pregunta(n) | Q(n+1) | J | K |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | X |
| 0 | 1 | 1 | X |
| 1 | 0 | X | 1 |
| 1 | 1 | X | 0 |
(X = no me importa)
Diagrama de bloques de JK Flip-Flop
El diagrama de bloques de un flip-flop JK muestra cómo interactúan sus entradas clave y la retroalimentación interna para controlar su salida. Las entradas J y K determinan las acciones de ajuste y restablecimiento, lo que permite que la salida almacene o cambie el estado en función de la lógica de entrada. La señal de reloj (CLK) sincroniza estas operaciones para que los cambios ocurran solo en transiciones de reloj específicas, lo que garantiza una sincronización predecible en los circuitos digitales.
Además de estas entradas primarias, el flip-flop JK también puede incluir entradas de control asíncronas: Preset (PR) y Clear (CLR). Estas entradas pueden forzar inmediatamente la salida a la lógica 1 o lógica 0, independientemente del estado del reloj, lo que las hace útiles para inicializar circuitos. Una característica distintiva del flip-flop JK es su ruta de retroalimentación interna, donde la salida de corriente Q se devuelve a la red lógica. Esta retroalimentación habilita la acción de alternancia cuando J y K están configurados en 1, lo que permite que la salida alterne estados en cada pulso de reloj.
Símbolo de lógica JK Flip-Flop y diagrama de pines
Símbolo lógico
El símbolo lógico resalta:
• Dos entradas: J (Set) y K (Reset)
• Una entrada de reloj con marcador de disparo de borde (símbolo de triángulo, a menudo con burbuja si está activo-bajo)
• Entradas asíncronas opcionales: PR (Preset) y CLR (Clear)
• Dos salidas: Q y Q′ (complementarias)
Diagrama de pines (Ejemplo: 74LS76 JK Flip-Flop IC)
Un diagrama de pines muestra cómo se implementan los flip-flops JK en paquetes IC como DIP-14.
| Número de Pin | Nombre del Pin | Descripción |
|---|---|---|
| 1 | CLR₁ | Clear asíncrono (LOW activo) para Flip-Flop 1 |
| 2 | K₁ | Entrada K para Flip-Flop 1 |
| 3 | J₁ | Entrada J para Flip-Flop 1 |
| 4 | CLK₁ | Entrada de reloj para Flip-Flop 1 |
| 5 | PR₁ | Preajuste asíncrono (BAJO activo) para Flip-Flop 1 |
| 6 | Q₁ | Salida Q para Flip-Flop 1 |
| 7 | GND | Suelo |
| 8 | Q₂ | Salida Q para Flip-Flop 2 |
| 9 | PR₂ | Preajuste asíncrono (BAJO activo) para Flip-Flop 2 |
| 10 | CLK₂ | Entrada de reloj para Flip-Flop 2 |
| 11 | J₂ | Entrada J para Flip-Flop 2 |
| 12 | K₂ | Entrada K para Flip-Flop 2 |
| 13 | CLR₂ | Clear asíncrono (LOW activo) para Flip-Flop 2 |
| 14 | VCC | Voltaje de alimentación positivo |
Chancla JK maestro-esclavo
Un desafío común en los flip-flops JK es la condición de carrera, que ocurre cuando ambas entradas son ALTAS (J = K = 1) y el pulso del reloj permanece ALTO el tiempo suficiente para que la salida cambie repetidamente dentro de un ciclo. Esto conduce a un comportamiento inestable.
La configuración maestro-esclavo garantiza solo un cambio de salida por pulso de reloj y evita oscilaciones no deseadas incluso cuando J = K = 1. Este método controla el problema de la carrera dirigiendo la operación en dos etapas: el maestro responde cuando CLK = ALTO y el esclavo se actualiza cuando CLK = BAJO.
Para obtener métodos de control de reloj más avanzados que también evitan la carrera, consulte la Sección 9 (Métodos de activación).
Métodos de activación de JK Flip-Flop
Un flip-flop JK directo que usa relojes activados por nivel puede sufrir un problema llamado carrera, que ocurre cuando J = K = 1 mientras el reloj permanece ALTO el tiempo suficiente para que la salida cambie repetidamente dentro de un solo pulso de reloj. Esto conduce a un funcionamiento inestable.
Para eliminar este problema, se utilizan dos estrategias desencadenantes:
| Tipo de gatillo | Descripción | Prevención de la carrera | Uso |
|---|---|---|---|
| Maestro-Esclavo JK | Dos pestillos cayeron en cascada; Maestro activo en reloj ALTO, Esclavo en BAJO | Limita la alternancia a una vez por ciclo | Circuitos educativos, velocidad moderada |
| JK activado por borde | Captura la entrada solo en ↑ o ↓ borde del reloj | Elimina completamente el race-around | Sistemas síncronos modernos |
Tabla de comportamiento de Clock Edge
| Borde del reloj | J | K | Q(n+1) |
|---|---|---|---|
| Sin borde | X | X | Qn (Mantener) |
| ↑ o ↓ | 0 | 0 | Qn |
| ↑ o ↓ | 1 | 0 | 1 (Juego) |
| ↑ o ↓ | 0 | 1 | 0 (Reiniciar) |
| ↑ o ↓ | 1 | 1 | Q̅n (Alternar) |
Los flip-flops JK activados por borde dominan los diseños digitales prácticos porque garantizan transiciones limpias y compatibilidad con arquitecturas de reloj síncronas.
Diagrama de tiempo de JK Flip-Flop
Un diagrama de temporización muestra cómo cambia la salida de un flip-flop JK en respuesta a las variaciones en el reloj (CLK) y las señales de entrada (J y K) a lo largo del tiempo. Es una herramienta valiosa para comprender el comportamiento del flip-flop en circuitos síncronos.
Durante cada borde de reloj activo (comúnmente el borde ascendente, ↑), el flip-flop muestrea las entradas y actualiza la salida Q de acuerdo con estas reglas:
• J = 0, K = 0 → Estado de espera (la salida permanece sin cambios)
• J = 1, K = 0 → Conjunto (Q se convierte en 1)
• J = 0, K = 1 → Restablecer (Q se convierte en 0)
• J = 1, K = 1 → Alternar (Q cambia a su valor opuesto)
Un diagrama de tiempo típico de JK incluye:
• Forma de onda de reloj (CLK): define cuándo se producen las actualizaciones de salida
• Señales de entrada (J y K): muestran los estados de entrada a lo largo del tiempo
• Señales de salida (Q y Q′): muestra claramente las transiciones de estado basadas en la entrada y el reloj
Este diagrama ayuda a visualizar la secuencia de cambios de estado, lo que facilita el análisis de problemas de tiempo, la verificación del comportamiento sincrónico y la comprensión de los requisitos de configuración y tiempo de espera en el diseño digital.
JK Flip-Flop usando puertas NAND
Se puede construir un flip-flop JK utilizando puertas NAND básicas, lo que revela cómo funciona el dispositivo internamente a nivel de puerta. Esta implementación se usa comúnmente en la educación de lógica digital porque demuestra cómo funcionan la retroalimentación y el control del reloj para crear circuitos secuenciales estables.
La lógica interna se construye mediante:
• Dos puertas NAND acopladas cruzadamente que forman el pestillo biestable básico.
• Dos puertas NAND adicionales para procesar las entradas J y K junto con la retroalimentación de salida anterior.
• Puertas NAND controladas por reloj que permiten cambios de estado solo cuando la señal de reloj está activa, lo que garantiza un funcionamiento sincrónico.
Comportamientos funcionales
• La lógica de retroalimentación evita estados no válidos: a diferencia del pestillo SR, la configuración JK maneja de forma segura todas las combinaciones de entrada.
• Acción de alternancia para J = K = 1: la retroalimentación interna alterna el estado de salida en cada pulso de reloj activo.
• Operación síncrona: la entrada del reloj garantiza que la salida cambie solo en momentos definidos, lo que permite la integración con otros circuitos lógicos secuenciales.
Esta construcción a nivel de puerta ayuda a explicar por qué el flip-flop JK se considera universal y confiable. Sin embargo, debido a su estructura relativamente compleja y retardo de propagación, los sistemas digitales prácticos suelen utilizar flip-flops JK activados por borde o versiones IC integradas en lugar de construirlos a partir de puertas discretas.
Si bien el cambio de JK a nivel de puerta explica la lógica interna, los sistemas digitales prácticos también deben abordar problemas de cronometraje como la carrera. Esto conduce a mejores técnicas de activación que se analizan a continuación.
Circuitos integrados JK Flip-Flop populares
Los flip-flops JK están disponibles como circuitos integrados (IC) en las familias TTL (Transistor-Transistor Logic) y CMOS. Estos circuitos integrados se usan comúnmente en contadores, divisores de frecuencia, registros de desplazamiento y circuitos de control de memoria.
| Número IC | Familia Logic | Descripción |
|---|---|---|
| 74LS73 | TTL | Flip-flop JK dual con Clear asíncrono; Utilizado en aplicaciones básicas de lógica secuencial |
| 74LS76 | TTL | Flip-flop JK dual con preajuste asíncrono y borrado; Permite el control externo de los estados iniciales |
| 74LS107 | TTL | Doble chancla JK con capacidad de borrado y alternancia activa-baja; Ideal para contadores de división por 2 |
| CD4027B | CMOS | Chanclas Dual JK con Set y Reset; Ofrece bajo consumo de energía y amplio rango de voltaje |
Aplicaciones de las chanclas JK
Los flip-flops JK se usan ampliamente porque pueden funcionar como elementos de memoria, dispositivos de alternancia y contadores síncronos. Las aplicaciones comunes incluyen:
• División de frecuencia y contadores: divida la frecuencia del reloj por 2 en el modo de alternancia
• Registros de desplazamiento: se utilizan en la conversión de datos en serie-paralelo
• Máquinas de estado (FSM): lógica de secuencia de control en sistemas digitales
• Acondicionamiento de señales: interruptores mecánicos de rebote
• Modelado de pulso de reloj: genere señales de onda cuadrada
Comparación de chanclas JK vs chanclas SR, D y T
| Característica | Chanclas JK | Chanclas SR | Chanclas D | T Chanclas |
|---|---|---|---|---|
| Entradas | J, K | S, R | D | T |
| Estado no válido | Ninguno | S=R=1 no válido | Ninguno | Ninguno |
| Modos de operación | Configurar, reiniciar, alternar | Establecer, Restablecer | Transferencia de datos | Solo alternar |
| Caso de uso | Mostradores, Registros | Pestillo simple | Memoria, registros de desplazamiento | Contadores |
| Complejidad | Moderado | Sencillo | Sencillo | Muy sencillo |
| Soporte de activación de bordes | Sí | Sí | Sí | Sí |
La chancla JK es la más flexible entre todas las chanclas. Puede simular las funciones de los flip-flops SR, D y T y se usa ampliamente en contadores y circuitos de control digital.
Solución de problemas y errores de diseño comunes
| Problema común | Descripción | Solución |
|---|---|---|
| Error de sincronización del reloj | Múltiples flip-flops que usan relojes no sincronizados causan desajustes de tiempo | Utilizar una única fuente de reloj global** |
| Ruido de entrada o rebote del interruptor | Las entradas ruidosas o los interruptores mecánicos provocan disparos falsos | Añadir circuitos de rebote o filtros RC |
| Pines flotantes preestablecidos/transparentes (PR/CLR) | Las entradas asíncronas no conectadas provocan salidas impredecibles | Vincular PR/CLR no utilizados a niveles lógicos definidos |
| Infracciones de tiempo de configuración y retención | Cambiar J/K demasiado cerca de la transición del reloj conduce a la metaestabilidad | Mantenga las entradas estables antes y después del borde del reloj |
Conclusión
El flip-flop JK sigue siendo un dispositivo versátil y confiable en los sistemas digitales modernos debido a su capacidad para alternar estados y manejar operaciones síncronas y asíncronas. Ya sea que se implemente mediante puertas lógicas o circuitos integrados, se utiliza en contadores, registros y circuitos de control. Comprender su comportamiento y sincronización le ayuda a diseñar aplicaciones lógicas secuenciales estables y eficientes.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿Por qué un flip-flop JK se llama "flip-flop universal"?
El flip-flop JK se llama flip-flop universal porque puede realizar las funciones de flip-flops SR, D y T simplemente configurando sus entradas J y K. Esto lo hace adaptable para varias aplicaciones de lógica secuencial.
¿Cuál es la principal diferencia entre las chanclas JK activadas por nivel y activadas por borde?
Un flip-flop JK activado por nivel responde a todo el nivel ALTO o BAJO del pulso del reloj, mientras que un flip-flop JK activado por borde actualiza su salida solo en el borde ascendente o descendente, evitando problemas de carrera.
¿Cómo se convierte una chancla JK en una chancla D?
Un flip-flop JK puede funcionar como un flip-flop D conectando J = D y K = D′. Esto obliga a la salida a seguir la entrada, imitando el comportamiento de transferencia de datos de un flip-flop D.
¿Qué causa la metaestabilidad en las chanclas JK?
La metaestabilidad ocurre cuando las entradas J y K cambian demasiado cerca de la transición del reloj, violando la configuración o el tiempo de espera. Esto puede dar lugar a estados de salida impredecibles u oscilantes.
¿Se pueden utilizar los flip-flops JK para la división de frecuencias?
Sí. Cuando ambas entradas J y K están vinculadas a HIGH (J = K = 1), el flip-flop JK alterna su salida en cada pulso de reloj. Esto divide la frecuencia del reloj por 2, lo que lo hace útil en contadores digitales y divisores de frecuencia.