JK フリップフロップ（JK: ジェイケイ）

2025年10月19日

JK フリップフロップ（JK: ジェイケイ）

英語表記: JK Flip-flop

概要

JKフリップフロップは、デジタル回路における最も基本的かつ万能な順序回路（記憶機能を持つ回路）の一つであるフリップフロップに分類されます。これは、1ビットの情報を記憶し、入力信号（JとK）とクロック信号（CLK）の組み合わせによって、その記憶状態を確実に制御できる優れたデジタル部品です。特に、従来のSRフリップフロップが抱えていた「両入力が1の時の不定状態」という問題を完全に解決し、全ての入力パターンに対して明確な出力（保持、セット、リセット、反転）を保証できる点が最大の特長です。

詳細解説

記憶と制御の役割（順序回路の核心）

私たちが扱う「論理回路とゲート」の分野において、フリップフロップは時間軸を考慮した動作、すなわち「順序回路」を実現する上で欠かせない要素です。その中でもJKフリップフロップは、単に1ビットの情報を記憶するだけでなく、その情報をどのように次の状態へ移行させるかを高い柔軟性で制御する役割を担っています。

動作原理と入力端子

JKフリップフロップは、J（Set側の制御入力）とK（Reset側の制御入力）という二つの制御入力端子を持ちます。クロック信号（CLK）が入力されるタイミングでのJとKの状態によって、次のような四つの明確な動作モードが定義されています。

| J入力 | K入力 | 次の状態 (Q’) | 動作 |
| :—: | :—: | :———–: | :— |
| 0 | 0 | Q (現在の状態) | 保持 (No Change) |
| 0 | 1 | 0 | リセット (Reset) |
| 1 | 0 | 1 | セット (Set) |
| 1 | 1 | $\bar{Q}$ (現在の状態の反転) | 反転 (Toggle) |

この動作が、このフリップフロップの万能性を支えています。

SRフリップフロップからの進化

JKフリップフロップの登場は、フリップフロップの歴史において画期的な出来事でした。先行するSRフリップフロップでは、S（セット）とR（リセット）の両方に同時に1を入力すると、出力が予測不能な「不定状態」に陥るという致命的な欠陥がありました。これは、デジタルシステムにおいて誤動作の原因となり得るため、非常に扱いにくいものでした。

しかし、JKフリップフロップでは、J=1かつK=1の場合に「反転（トグル）」という明確な動作を割り当てることで、この不定状態を完全に解消しました。トグル動作とは、現在の記憶状態（Q）が0であれば1へ、1であれば0へと、クロックが来るたびに状態が切り替わることを意味します。この制御可能な反転機能のおかげで、JKフリップフロップは、デジタルカウンタ（計数回路）など、周期的な切り替えが必要な順序回路設計の標準部品として広く採用されることになったのです。

構成要素

JKフリップフロップの内部は、複数の論理ゲート（NANDゲートやNORゲート）とフィードバックループ（帰還）によって構成されています。このフィードバックループこそが、順序回路の最も重要な特徴である「記憶」を可能にしています。JとKの入力は、内部のゲート構成を通じて、クロックの立ち上がり（または立ち下がり）の瞬間にのみ、記憶されている状態（Q）を新しい状態に強制的に上書きする仕組みになっています。

このように、JKフリップフロップは、論理回路とゲートの基本要素を組み合わせることで、時間軸と順序を考慮した複雑なデジタル処理を可能にする、非常に洗練された部品なのです。

具体例・活用シーン

銀行の自動ドアと「反転」の魔法

JKフリップフロップの最も特徴的で、かつ理解しにくい動作が「反転（トグル）」です。このトグル動作を理解するために、銀行の自動ドアのロックシステムを例に考えてみましょう。

ストーリー：万能なセキュリティスイッチ

ある銀行のセキュリティシステムが、JKフリップフロップによって制御されていると想像してください。

J（セット）: 「開ける」指示。
K（リセット）: 「閉める」指示。
CLK（クロック）: 警備員が操作するメインスイッチ。
Q: ドアの状態（1なら開、0なら閉）。

1. 基本操作 (J=0, K=1 または J=1, K=0)
警備員が「開ける」（J=1, K=0）ボタンを押してメインスイッチ（CLK）を操作すれば、ドアは開きます（セット）。これは直感的でわかりやすい動作です。

2. 記憶の保持 (J=0, K=0)
何も操作せず（J=0, K=0）にメインスイッチを操作しても、ドアは現在の状態を維持します。これがフリップフロップの「記憶」機能です。

3. 反転（トグル）の活用 (J=1, K=1)
ここで、警備員が特殊な「緊急トグル」ボタン（J=1, K=1）を押しながらメインスイッチを操作したとします。

もし現在ドアが開いていれば（Q=1）、次のクロックでドアは閉まります（Q’=0）。
もし現在ドアが閉まっていれば（Q=0）、次のクロックでドアは開きます（Q’=1）。

この「トグル」動作は、状態を一つずつ数え上げるときに非常に便利です。例えば、デジタルカウンタ（計数回路）では、このトグル動作を連鎖させることで、クロックが入力されるたびに「0→1→2→3…」と正確に数を数えることができるようになります。JKフリップフロップは、このトグル機能を持っているため、複雑な順序回路、特に周波数分周回路（入力周波数を半分にする回路）や非同期カウンタの設計において、不可欠な部品となっているのです。

活用シーンの例

デジタルカウンタ: トグルモードを連続的に利用し、クロックパルスを数えます。これは、信号の周波数を測定したり、時間計測を行ったりする順序回路の基本です。
レジスタ: 複数のフリップフロップを並列に接続し、複数ビットのデータを一時的に保持する記憶装置として機能します。
シフトレジスタ: データ（ビット）をクロックに合わせて順次移動させる回路です。シリアル通信などでデータの入出力を行う際に利用されます。

これらの応用はすべて、JKフリップフロップが「フリップフロップ」という記憶素子の中で、最も信頼性の高い状態制御（特にトグル）を提供できるからこそ実現しているのです。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、「論理回路とゲート」の知識、特に「順序回路」の理解は必須です。JKフリップフロップは、この順序回路の動作原理を問う問題の中心となります。

押さえるべき重要ポイント

万能性と不定状態の克服: JKフリップフロップが、SRフリップフロップの最大の弱点であった「不定状態（S=1, R=1）」を克服し、「反転（トグル）」動作を実現した点。これがJKフリップフロップの存在意義そのものです。
真理値表の暗記: J, Kの入力と、次の状態Q’の関係を示す真理値表は、そのまま問題として出題されます。特に(J=1, K=1)が反転になることを確実に記憶してください。
順序回路としての役割: JKフリップフロップが、単なる組み合わせ回路（入力から出力が一意に決まる回路）ではなく、過去の状態（Q）を記憶し、クロックのタイミングで動作する「順序回路」であることを理解することが重要です。
トグル動作の応用: (J=1, K=1)がデジタルカウンタや周波数分周回路の基本要素として利用されることを覚えておきましょう。クロックパルスが入るたびに出力が反転するため、入力周波数を正確に半分にする回路（分周回路）として機能します。
Dフリップフロップとの関係: JKフリップフロップは、J入力とK入力をインバータ（NOTゲート）で接続し、J=D、K=$\bar{D}$とすることで、データをそのまま保持するDフリップフロップとして機能させることができます。この応用的な接続方法も知識として求められることがあります。