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1ビットを記憶する仕組み：NAND型RSフリップフロップ

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デジタル回路 入門
目次

今日学んだこと
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NAND型RSフリップフロップの仕組みと動作原理を学びました。2つのNANDゲートをたすきがけに接続することで、1ビットの情報を記憶・保持できる基本的な順序回路です。

学習内容
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NAND型RSフリップフロップとは
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NANDゲートを2つたすきがけすることで構成される論理回路です。

  • デジタル回路における基本的な記憶素子の一つ
  • 1ビットの情報（0か1）を記憶し、保持することが可能
  • RSフリップフロップの「RS」は、それぞれ**セット（Set）とリセット（Reset）**の頭文字に由来
        ┌───────┐
S ──────┤       │
        │ NAND  ├──┬─────── Q
    ┌───┤       │  │
    │   └───────┘  │
    │              │
    │   ┌───────┐  │
    └───┤       ├──┘
        │ NAND  │
    ┌───┤       ├──────── Q̄
    │   └───────┘
    │
R ──┘

なぜ記憶できるのか
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NAND型RSフリップフロップが記憶できる理由は、フィードバック構造にあります。

  • 各NANDゲートの出力が、もう一方のNANDゲートの入力に接続されている
  • この相互接続により、一度セットまたはリセットされた状態が自己保持される
  • 入力S、Rがともに「1」になっても、出力は直前の状態を維持し続ける

つまり、2つのNANDゲートが互いに「支え合う」ことで、電源が供給されている限り状態を保持できます。

NAND型RSフリップフロップの特徴
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  1. 2つの出力（QとQ̄）は互いに逆の値になる

    • S=R=0の禁止状態を除き、QとQ̄は必ず互いに逆の値になります。

  2. S＝0，R＝1でセット（Q＝1）

    • 入力Sに「0」、Rに「1」が入力されると、出力Qは「1」にセットされます。
    • Sが入力されるNANDゲートは、入力に「0」があるため出力（Q）が必ず「1」になります。
    • その結果、もう一方のNANDゲートの入力は両方とも「1」となり、出力（Q̄）は「0」になります。

  3. S＝1，R＝0でリセット（Q＝0）

    • 入力Sに「1」、Rに「0」が入力されると、出力Qは「0」にリセットされます。
    • Rが入力されるNANDゲートの出力（Q̄）が「1」になり、その結果、もう一方のNANDゲートの出力（Q）が「0」になります。

  4. S＝R＝1で状態保持

    • 入力SとRがともに「1」の場合、フリップフロップは直前の出力状態を保持します。
    • 例えば、Qが「1」であれば「1」のまま、Qが「0」であれば「0」のままとなります。
    • これは、NANDゲートの出力がもう一方の入力に影響を与え合い、安定した状態を維持するためです。

真理値表
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SRQn+1Q̄n+1状態
0011禁止
0110セット
1001リセット
11QnQ̄n保持

（Qnは現在の状態、Qn+1は次の状態を示します）

まとめ
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  • NAND型RSフリップフロップは、2つのNANDゲートをたすきがけに接続した記憶素子
  • S=0, R=1 で出力Qを「1」にセット
  • S=1, R=0 で出力Qを「0」にリセット
  • S=R=1 で直前の状態を保持
  • S=R=0 は禁止状態（両出力が「1」になり、QとQ̄が逆にならない。さらに次に両入力が同時に「1」に戻ると出力が不定になる）

参考
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