Televizoarele, înregistratoarele video, decodificatoarele și receptoarele de cablu în bandă largă au toate un element comun: tunerul. Deși toate celelalte componente electronice din aceste dispozitive se micșorează pe măsură ce tehnologia semiconductorilor se micșorează, aplicațiile pentru consumatori folosesc adesea „rezervoare tuner” uriașe pentru a realiza această funcție critică. Restricțiile provocatoare asupra designului tunerului sunt motivul pentru care această tehnologie persistă, dar forțele pieței împing tunerele cu siliciu în prim plan.
Proiectantul tunerului trebuie să depășească multe provocări. Semnalul de intrare în aplicațiile de televiziune și cablu difuzate se află în banda de frecvență de la 48 MHz la 861 MHz, iar puterea semnalului poate avea o gamă dinamică largă. De exemplu, în aplicațiile de televiziune difuzate, semnalul care trebuie selectat poate avea canale adiacente nedorite a căror putere a semnalului depășește de 100 de ori.
Un design tipic al tunerului utilizează o singură arhitectură a receptorului de conversie, deși sunt posibile și alte arhitecturi. Structura unui singur tuner de conversie include un filtru de preselecție, un amplificator cu zgomot redus (LNA), un convertor descendent și un amplificator de frecvență intermediară (IF).
1. Constrângeri ale designului tunerului de siliciu
1) Urmărirea filtrelor preselectate
Filtrul de preselecție ia banda de frecvență a semnalului de frecvență completă și o reduce la o bandă de frecvență mai mică care conține canalul de interes. Având în vedere gama largă de frecvențe a canalului, acest lucru înseamnă că filtrul de preselecție trebuie să fie un filtru de urmărire a benzii a cărui frecvență centrală poate varia în spectrul semnalului. LNA-urile cu funcții de control automat al câștigului RF urmează de obicei un filtru preselectat.
Etapa downconverter este traditional un sistem heterodin. Convertorul descendent este proiectat cu selectarea canalului, care implică reglarea oscilatorului local (LO) astfel încât diferența dintre frecvența sa și semnalul de interes să se încadreze în banda de trecere a filtrului IF. Această etapă folosește filtre cu frecvență fixă de bandă îngustă, de înaltă performanță - de obicei dispozitive cu undă acustică de suprafață (SAW) - prin selectarea și excluderea tuturor celorlalte opțiuni. Acesta este urmat de un amplificator IF cu control de câștig variabil, care permite sistemului să potrivească puterea semnalului selectat cu necesitățile circuitului de demodulare și detectare pe care îl conduce tunerul.
Având în vedere gama largă de frecvență și puterea semnalului semnalului de intrare, utilizarea acestei arhitecturi pentru a genera un tuner de performanță bună va aduce multe provocări. Unul este filtrul de preselecție. Pentru a acoperi lățimea de bandă completă a semnalului, implementările tipice de tunere TV difuzate necesită filtre pentru a funcționa în trei benzi de frecvență diferite: VHF (frecvență foarte înaltă), 48 - 88 MHz; VHF mediu, 174 până la 216 MHz; și UHF (super înaltă frecvență) la 470 la 861 MHz. O implementare obișnuită este utilizarea de filtre separate, câte unul pentru fiecare filtru.
2) Funcționare multi-bandă
Filtrul de preselecție selectează banda de frecvență de funcționare, dar poate fi încă necesară implementarea unui filtru de urmărire pentru a oferi selectivitatea necesară. Filtrul de urmărire trebuie să mențină o lățime de bandă relativ fixă, deși frecvența centrală se poate schimba pe mai multe octave. Realizarea unui astfel de filtru necesită de obicei un număr mare de componente pasive, cum ar fi inductoarele, care trebuie reglate manual în fabrică pentru a obține performanțe adecvate. Această cerere pentru componente pasive și reglare manuală crește foarte mult dimensiunea și costul tunerului. Un tuner tipic poate măsura 2.5 x 2 x 0.75 țoli.
Cu toate acestea, filtrul de preselecție nu este singura componentă cu provocări de proiectare. LO din convertorul descendent trebuie să gestioneze, de asemenea, o gamă largă de frecvențe. Filtrul de preselecție reduce doar lățimea de bandă a semnalului de intrare. Semnalul de interes poate să cadă oriunde în intervalul de la 48 la 861 MHz, iar LO trebuie să acopere practic acest interval. În plus, LO trebuie să prezinte un zgomot redus de fază la distanță mică sau recepția canalului DTV va fi compromisă. Oscilatorul cu circuit integrat atinge o gamă atât de largă de frecvență care nu poate fi reglată și, în același timp, prezintă zgomot de fază scăzut utilizând tensiunea tipică de alimentare de 3 volți a sistemelor electronice actuale. Poate fi necesară o sursă de alimentare de până la 30 V.
Pentru a îndeplini toate aceste cerințe de performanță, majoritatea furnizorilor aleg să păstreze modelele tradiționale de tunere TV și VCR, în ciuda costurilor și dimensiunilor lor. Dar presiunile pieței încep să forțeze schimbarea. Unul dintre elemente este autorizarea Comisiei federale de comunicații, adică toate televizoarele vândute în Statele Unite au început să utilizeze tunere capabile să recepționeze emisiuni TV digitale. Această sarcină îi obligă pe furnizori să schimbe structura de bază a produselor lor, creând oportunități de inovație în proiectarea tunerului.
Creșterea cererii pentru piața de divertisment portabilă a promovat, de asemenea, schimbări în designul tunerelor. Portabil înseamnă dispozitive alimentate cu baterie sau portabile și interzice utilizarea tensiunilor ridicate în implementările LO. În plus, dispozitivele portabile necesită implementări mult mai mici decât tunerele tipice. Pe piața în creștere a ecranelor cu ecran plat / TV, dimensiunile mici sunt, de asemenea, importante. Într-un design cu ecran plat, dimensiunea tunerului poate fi factorul limitativ pentru subțierea produsului.
O altă tendință care afectează cerințele tunerului este aceea că consumatorii doresc să primească mai multe canale în același timp. Aceasta înseamnă că este necesar mai mult de un tuner, care ocupă mai mult spațiu, ceea ce afectează dimensiunea sistemului și crește costul tunerului pentru produsul final. Presiunea pieței pentru a reduce dimensiunea și alte tendințe au promovat utilizarea designurilor de tunere de siliciu.
3) Eliminați reglajul manual
Există multe obiective pentru designul tunerului cu siliciu. Unul dintre obiectivele principale este eliminarea necesității de a regla manual componentele externe din filtrul de urmărire. Există două efecte în siliciu. Unul este că eliminarea majorității componentelor externe elimină și capacitatea lor de a absorbi și disipa energia RF nedorită din banda de frecvență exclusă. Tunerele de siliciu trebuie să utilizeze proiecte inovatoare de circuite în LNA și mixere pentru a gestiona energia nedorită fără a deteriora tranzistoarele.
Al doilea impact este necesitatea unei noi arhitecturi RF. Primele modele de tunere de siliciu au încercat să adopte o metodă de conversie dublă, care asigura selectivitate fără a regla manual componentele externe. Prima conversie deplasează frecvența semnalului de intrare în sus. Filtrul RF SAW reduce lățimea de bandă înainte de a se converti în IF pentru a doua oară. Dispozitivul de filtrare reprezintă principalul cost al acestui design.
Recent, tehnologia de autocalibrare este utilizată pentru a depăși schimbările din procesul de fabricație a semiconductorilor. Unii elimină, de asemenea, nevoia de surse de alimentare de înaltă tensiune pentru LO și nevoia de dispozitive RF SAW. În schimb, utilizează filtre SAW doar în etapa IF, care au o frecvență mult mai mică și sunt dispozitive cu costuri mai mici decât filtrele RF SAW.
Implementarea acestor modele în siliciu necesită o tehnologie avansată de procesare a semiconductorilor. De obicei, furnizorii de cipuri caracterizează doar procesul de implementare digitală VLSI. Pentru a implementa un tuner de siliciu, procesul trebuie caracterizat pe baza performanțelor RF. În plus, procesul trebuie să aibă o modalitate de a crea un inductor cu valoarea corectă și să aibă un Q suficient de mare pentru implementarea LO cu zgomot de fază redus sau proiectarea filtrului RF. Un astfel de proces poate fi folosit acum.
În plus față de procesele semiconductoare, tunerele de siliciu necesită o proiectare atentă a cipurilor. RF are multe oportunități de interferență radiată și condusă. Într-un design de tuner cu siliciu cu un singur cip, proximitatea liniilor de semnal pe cip și partajarea substraturilor de circuit exacerbează acest lucru. Controlul acestei interferențe necesită un aspect care separă circuitele critice și include modele de ecranare. Proiectarea necesită, de asemenea, crearea și gestionarea atentă a rețelelor de distribuție de energie electrică și la sol. În plus, proiectarea trebuie să includă componente de filtrare on-chip și off-chip pentru a rupe calea semnalului de interferență.
Toate aceste probleme au fost rezolvate și odată cu apariția dispozitivelor de reglare a siliconului, designerii de produse au început să facă modalități de a scăpa de vechiul tuner-într-o-cutie. Receptoarele prin satelit și prin cablu au fost primele care au adoptat această metodă. Procesează semnale cu aproximativ aceeași putere în fiecare canal. Această uniformitate a canalului simplifică ușor designul tunerului, permițând echipamentelor timpurii de acordare a siliconului să îndeplinească cerințele.
Cu toate acestea, recepția de difuzare terestră trebuie să utilizeze un tuner care poate oferi selectivitate pe o gamă largă de niveluri de putere ale canalelor. Posibilitatea de a combina semnale puternice în canale adiacente cu canale slabe de interes impune restricții stricte asupra selectivității designului tunerului. Până de curând, arhitecturile RF inovatoare și procesarea îmbunătățită a semiconductorilor RF au permis tunerelor de siliciu să atingă performanțele necesare la un cost redus.
Prin eliminarea necesității reglărilor manuale, aceste tunere de siliciu pot crește randamentele de fabricație și pot oferi performanțe mai fiabile decât modelele mai vechi. Acestea satisfac nevoile dispozitivelor portabile eliminând nevoia de surse de alimentare de înaltă tensiune și permițând implementări compacte. Având în vedere influența pieței asupra acestor atribute, se așteaptă ca tunerele de siliciu să alinieze proiectele de receptoare TV cu alte părți ale industriei electronice.
Ravi Shenoy ([e-mail protejat]) este directorul analog și tehnologia RF a LSI Logic (Milpitas, California).
alt produs nostru:
