Umpan-balik Negatif

Pada satu jurnal medis dipaparkan bahwa di dalam tubuh manusia bekerja suatu mekanisme yang menjaga keseimbangan, sehingga tubuh dapat berfungsi dengan baik. Seperti dicontohkan di dalam jurnal tersebut, ada fungsi dari sistem endokrin yang mengatur konsentrasi gula dalam darah. Jika misalnya kita meminum segelas susu atau memakan sepotong permen coklat yang manis, maka tubuh akan bereaksi terhadap masukan ini. Glukosa yang diserap dari susu atau permen itu akan menyebabkan kadar gula darah meninggi. Naiknya kadar gula darah ini merangsang sel-sel endokrin yang ada di pankreas untuk melepas hormon insulin ke dalam darah. Insulin ini ternyata adalah katalis bagi penyerapan glukosa ke dalam sel-sel tubuh. Walhasil, kadar gula dalam darah kembali turun. Sebaliknya jika kadar dula darah sangat rendah, maka endokrin tidak akan dirangsang untuk melepas insulin. Demikianlah sehingga kadar gula di dalam darah tetap normal dan seimbang.

Dalam rangkaian elektronik terutama pada sistem pengaturan, umpan balik negatif memegang peran yang penting. Pada sistem pengaturan, selalu ada masukan (input), keluaran (output), proses serta umpan balik. Misalnya adalah sistem pengatur suhu ruangan dengan air-conditioner (AC). Dalam sistem ini sebagai input adalah suhu ruangan yang ingin dicapai. Lalu prosesnya adalah dengan bekerjanya kompresor AC yang mendinginkan ruangan. Sebagai umpan balik adalah suhu ruangan saat ini yang diumpan ke sistem melalui sebuah sensor temperatur. Sensor di sini dapat disamakan sebagai indra bagi sistem pendingin. Jika suhu udara saat ini masih lebih hangat daripada suhu yang diinginkan, maka kompresor bekerja sampai kemudian tercapai keseimbangan.

Sistem audio hi-fi juga menggunakan umpan balik negatif, untuk mencapai kadar fidelity maksimum. Sistem echo-cancellation pada peralatan audio dan telekomunikasi adalah bagaimana meredam acoustic feedback yang masuk kembali melalui mikrofon misalnya. Prinsipnya yaitu mengurangi sinyal apapun yang masuk melalui input dengan sinyal echo dari original input.

Penguat op-amp yang stabil juga dibuat dengan umpanbalik negatif. Penguat op-amp umumnya memiliki open-loop voltage gain yang sangat besar 100.000 kali bahkan idealnya adalah tak terhingga. Nilai penguatan ini sangat besar dan kisarannya sangat lebar sehingga sistem menjadi labil. Penguat op-amp tidak akan stabil tanpa rangkaian umpanbalik. Penguat inverting maupun non-inverting yang dibuat dengan op-amp selalu menerapkan umpanbalik negatif. Dengan umpanbalik negatif tersebut, penguatan op-amp dapat diperkirakan dengan pasti.

Mekanisme di atas tidak lain adalah rangkaian dengan feedback negatif. Dikatakan feedback negatif karena reaksinya yang 'melawan' kondisi dari masukan. Jika terlalu tinggi akan direndahkan dan jika terlalu rendah akan ditinggikan. Hal itu berlangsung sampai kondisi keseimbangan yang diinginkan tercapai. Contoh lain di dalam tubuh manusia adalah rasa sakit ketika dicubit, rasa haus, rasa lapar dan rasa capek. Umpanbalik ciptaan-Nya ini sangat luar biasa dalam menjaga kesimbangan fisik. Menurut hemat penulis rasa kenyang dan rasa senang mestinya adalah feedback negatif. Kalau tidak, anda akan makan terus dan tertawa terus tiada henti bukan ? Selain indra yang lima, manusia memiliki nurani dan empati sebagai indra dari jiwa. Sanjungan bisa jadi adalah umpan balik positif yang kadang menjerumuskan. Kritikan mestinya merupakan umpan balik negatif yang menjaga keseimbangan nurani.

-end-

HC versus HCT

Kompatibilitas komponen CMOS terhadap TTL


Beberapa waktu yang lalu, kami mendapat cerita dari seorang rekan yang bekerja di industri penyediaan perangkat telekomunikasi. Sebanyak ribuan modul yang sudah dipasang dan beroperasi harus segera ditarik dan diganti dengan modul yang baru. Dikatakan perangkat yang terkoneksi secara remote tersebut tidak berfungsi dengan baik. Tetapi anehnya, sebagian perangkat yang sama lainnya bekerja baik dan normal sebagaimana mestinya.

R&D dari pabrikan penyedia alat tersebut segera melakukan tugasnya menganalisa problem yang mereka hadapi. Selidik punya selidik akhirnya ditemukan ternyata kedua perangkat yang sama itu memiliki perbedaan. Perbedaannya ada pada penggunaan komponen logik. Modul pada perangkat yang bekerja normal menggunakan komponen logik dengan marka tertulis 74HCxxx. Sedangkan perangkat yang satunya menggunakan komponen dengan marka tertulis 74HCTxxx. Ketika diteliti lebih lanjut, kemudian diketahui penyebabnya adalah tercampurnya reel (selongsong tempat komponen) komponen 74HCxxx yang seharusnya dengan komponen dengan 74HCTxxx. Sehingga pada saat pabrikasi, secara tidak sengaja komponen yang seharusnya 74HCxxx terpasang menjadi 74HCTxxx.

Di sini masalahnya bukan karena komponen logik tipe HC lebih baik dan komponen jenis HCT tidak baik. Tetapi modul perangkat yang dimaksud memang dirancang dengan menggunakan komponen IC logik jenis HC.

Seperti yang kita ketahui, komponen IC logik umumnya dimulai dengan angka 54 atau 74 yang kemudian diikuti marka huruf. Angka 54 adalah tipe dengan spesifikasi militer and 74 adalah tipe untuk umum. Huruf yang menyertai setelah angka 54/74 seperti LS, AS atau ALS menunjukkan komponen logik tersebut dari tipe TTL (Transitor Transistor Logic), yaitu komponen IC logik yang dibuat dengan dasar transistor bipolar. Misalnya komponen itu tertulis dengan marka 54LS/74LS. Komponen logik ada juga yang dibuat dengan dasar transistor CMOS yang dikenal dengan 54HC/74HC dimana marka HC adalah singkatan dari High speed CMOS.

Perancang rangkaian elektronik biasanya menggunakan komponen tipe HC untuk mendapatkan sistem dengan performa kecepatan tinggi (high speed) dan sekaligus konsumsi daya-nya yang rendah (low power). Selain itu pabrikan juga membuat komponen tipe HCT (High speed CMOS TTL) yang merupakan satu keluarga dengan tipe HC karena sama-sama dibuat dengan teknologi CMOS. Namun komponen HCT dibuat agar input/output nya kompatibel dengan level TTL. Huruf T pada marka HCT berarti TTL.

tabel-1 : karakteristik tegangan input/output

beberapa tipe komponen IC logik

Mengapa diperlukan komponen logik tipe HCT ? Jawabannya barangkali dapat diketahui dari karakteristik level tegangan input/output untuk masing-masing tipe komponen yang ada pada tabel-1. Pada tabel ini di tunjukkan berapa nilai tegangan output logika 1 atau logika 0 komponen LS/HC/HCT. Juga ditunjukkan ambang dari tegangan input minimum atau maksimum dari tiap tipe komponen yang dapat dinyatakan sebagai logika 1 atau logika 0. Pada tabel tersebut terlihat ada masalah ketidak cocokan (incompatibility) antara level tegangan output dari komponen tipe LS yang TTL dengan ambang minimum level tengangan input komponen HC yang CMOS.

Level tengangan output logika 1 (high) untuk tipe LS pada tabel adalah 2.7 volt. Sementara untuk komponen tipe HC, ambang tegangan minimum untuk dapat dinyatakan sebagai logika 1 (high) setidaknya mesti sebesar 3.15 volt. Artinya jika komponen LS dipakai untuk men-drive komponen HC maka level tegangan logika 1 keluaran LS tidaklah cukup bagi input komponen logik tipe HC. Kendala interfacing yang demikian sering juga ditemui pada suatu desain yang menggunakan mikrokontroler dimana peripheral input-outputnya berstandard TTL. Sementara untuk mendapatkan tingkat kecepatan dan konsumsi daya yang kecil, perancangnya ingin menggunakan CMOS sebagai eksternal komponen lainnya.

Untuk contoh kasus seperti inilah komponen tipe HCT dibuat, sehingga tidak ada masalah interface antara output TTL dengan input CMOS. Sebab komponen HCT standardnya sudah sama-sama TTL. Misalnya dipasaran banyak ditemui 74HCT373 yaitu latch yang sering digunakan untuk men-decode data dari address/data bus sebuah mikroprosessor. Karena kompatibel, komponen HCT dapat langsung dipasang menggantikan komponen logik TTL seperti tipe LS. Misalnya komponen 74LS14 secara langsung dapat digantikan dengan 74HCT14 yang konsumsi dayanya lebih kecil.

gambar-1 : pull-up resistor untuk interfacing

input komponen HC terhadap output LS

Lalu mengapa komponen HC masih diperlukan, mengapa tidak semua saja dibuat menjadi HCT ? Ternyata katanya untuk membuat komponen tipe HCT, teknologi saat ini masih terbentur pada beberapa kendala yang ujungnya adalah penurunan performansi. Diantaranya yang pasti komponen HCT memerlukan rangkaian translator level CMOS ke level TTL dan sebaliknya, sehingga tambahan rangkaian ini menyebabkan ukuran dice (bahan pembuat IC) komponen menjadi lebih besar atau lebih padat. Tambahan rangkaian translator menyebabkan adanya efek tundaan propagasi (propagation delay), sehingga kecepatan HCT menjadi pertimbangan untuk rangkaian yang bersifat speed/time critical.

Dibandingkan dengan komponen tipe HC yang hemat energi (low power), konsumsi daya komponen HCT menjadi lebih besar. Kendala dan batasan inilah yang menyebabkan tidak semua komponen logik HC memiliki padanan komponen HCT. Selain itu sebenarnya ada cara untuk mengatasi masalah interface komponen tipe LS yang TTL dengan tipe HC yang CMOS. Seperti pada gambar-1, sebuah resistor pull-up (4.7K ~ 10K) dapat ditambahkan pada output TTL untuk menjamin level tegangan logik 1 (high) adalah sama dengan tegangan suplai VCC (misalnya 5 volt).

Metode resistor pull-up sebagai interfacing bagi komponen lain sudah umum dipakai untuk menjamin kompatibilitas TTL. Bahkan sering didapati ada internal resistor pull-up pada tiap-tiap port input/output sebuah mikroprosesor/mikrokontroler. Sehingga tambahan resistor pull-up eksternal tidak lagi diperlukan.

Kalau dibalik, komponen HC/HCT mestinya tidak ada masalah kompatibilitas jika dipakai untuk men-drive komponen tipe LS. Sebab kalau kembali dilihat pada tabel-1, tegangan output komponen tipe HC/HCT (3.7 volt) sudah cukup untuk memenuhi batas ambang minimum sebagai tegangan logika 1 bagi input komponen LS (2.0 volt).

Ada suatu garis bawah yang dapat ditarik dari pengalaman rekan di atas. Terkadang dari satu hal sederhana dapat menjadi sesuatu yang rumit. Ada kalanya hal yang demikian ikut melibatkan biaya yang tidak sedikit. Walaupun pada akhirnya problem itu dapat diselesaikan ketika masalahnya sudah ter-identifikasi. Sebab katanya, kalau masalahnya sudah diketahui maka sisanya adalah bagaimana menyelesaikannya.

-end-