Telewizory, magnetowidy, dekodery i szerokopasmowe odbiorniki telewizji kablowej mają wspólny element: tuner. Chociaż wszystkie inne elementy elektroniczne w tych urządzeniach kurczą się wraz ze zmniejszaniem się technologii półprzewodnikowej, aplikacje konsumenckie często wykorzystują ogromne „zbiorniki tunera”, aby osiągnąć tę krytyczną funkcję. Trudne ograniczenia w projektowaniu tunerów są powodem, dla którego ta technologia się utrzymuje, ale siły rynkowe wypychają tunery krzemowe na pierwszy plan.
Projektant tunera musi stawić czoła wielu wyzwaniom. Sygnał wejściowy w telewizji nadawczej i aplikacjach kablowych mieści się w paśmie częstotliwości od 48 MHz do 861 MHz, a siła sygnału może mieć szeroki zakres dynamiki. Na przykład w zastosowaniach telewizji nadawczej wybierany sygnał może mieć sąsiadujące niepożądane kanały, których siła sygnału przekracza 100 razy.
Typowa konstrukcja tunera wykorzystuje architekturę odbiornika z pojedynczą konwersją, chociaż możliwe są również inne architektury. Struktura tunera z pojedynczą konwersją obejmuje filtr preselekcji, wzmacniacz niskoszumowy (LNA), konwerter w dół i wzmacniacz częstotliwości pośredniej (IF).
1. Ograniczenia konstrukcji tunera krzemowego
1) Wstępnie wybrane śledzenie filtra
Filtr preselekcji pobiera pełne pasmo częstotliwości sygnału częstotliwości i redukuje je do mniejszego pasma częstotliwości zawierającego interesujący kanał. Z uwagi na szeroki zakres częstotliwości kanału oznacza to, że filtr preselekcji musi być filtrem pasmowoprzepustowym śledzenia, którego częstotliwość środkowa może zmieniać się w całym widmie sygnału. LNA z funkcją automatycznej kontroli wzmocnienia RF zwykle podążają za wcześniej wybranym filtrem.
Etap downconvertera to tradycjajonowo układ heterodynowy. Downconverter zaprojektowano z wyborem kanału, który polega na dostosowaniu lokalnego oscylatora (LO) tak, aby różnica między jego częstotliwością a sygnałem zainteresowania mieściła się w pasmowoprzepustowym filtrze IF. Ten etap wykorzystuje wysokowydajne, wąskopasmowe filtry o stałej częstotliwości — zwykle urządzenia z powierzchniową falą akustyczną (SAW) — poprzez wybranie i wykluczenie wszystkich innych opcji. Po nim następuje wzmacniacz IF ze zmienną regulacją wzmocnienia, dzięki czemu system może dopasować siłę wybranego sygnału do potrzeb układu demodulacji i detekcji, którym steruje tuner.
Biorąc pod uwagę szeroki zakres częstotliwości i siły sygnału wejściowego, użycie tej architektury do wygenerowania tunera o dobrej wydajności przyniesie wiele wyzwań. Jednym z nich jest filtr preselekcji. Aby pokryć pełne pasmo sygnału, typowe implementacje tunerów telewizyjnych wymagają, aby filtry działały w trzech różnych pasmach częstotliwości: VHF (bardzo wysoka częstotliwość), 48 do 88 MHz; średnie VHF, 174 do 216 MHz; i UHF (super wysoka częstotliwość) przy 470 do 861 MHz. Powszechną implementacją jest użycie oddzielnych filtrów, po jednym dla każdego filtra.
2) Praca wielopasmowa
Filtr preselekcyjny wybiera pasmo częstotliwości roboczej, ale nadal może być konieczne zaimplementowanie filtra śledzącego, aby zapewnić wymaganą selektywność. Filtr śledzący musi utrzymywać stosunkowo stałą szerokość pasma, chociaż częstotliwość środkowa może się zmieniać w wielu oktawach. Realizacja takiego filtra wymaga zwykle dużej liczby elementów pasywnych, takich jak cewki indukcyjne, które muszą być ręcznie strojone w fabryce, aby uzyskać odpowiednią wydajność. To zapotrzebowanie na komponenty pasywne i ręczne strojenie znacznie zwiększa rozmiar i koszt tunera. Typowy tuner może mieć wymiary 2.5 x 2 x 0.75 cala.
Jednak filtr preselekcji nie jest jedynym komponentem, z którym wiążą się wyzwania projektowe. LO w konwerterze w dół musi również obsługiwać szeroki zakres częstotliwości. Filtr preselekcji ogranicza jedynie szerokość pasma sygnału wejściowego. Sygnał zainteresowania może nadal spaść w dowolnym miejscu w zakresie od 48 do 861 MHz, a LO musi w zasadzie obejmować ten zakres. Ponadto LO musi wykazywać niski szum fazowy bliskiego zasięgu, w przeciwnym razie odbiór kanału DTV będzie zagrożony. Oscylator układu scalonego osiąga tak szeroki zakres częstotliwości, który nie może być strojony, a jednocześnie wykazuje niski poziom szumów fazowych przy typowym 3-woltowym napięciu zasilania dzisiejszych układów elektronicznych. Może być wymagane zasilanie do 30 V.
Aby spełnić wszystkie te wymagania dotyczące wydajności, większość dostawców decyduje się na zachowanie tradycyjnych konstrukcji tunerów telewizyjnych i magnetowidów, pomimo ich kosztów i rozmiarów. Ale presja rynkowa zaczyna wymuszać zmiany. Jednym z elementów jest zezwolenie Federalnej Komisji Łączności, co oznacza, że wszystkie telewizory sprzedawane w Stanach Zjednoczonych zaczęły korzystać z tunerów zdolnych do odbioru programów telewizji cyfrowej. Zadanie to zmusza dostawców do zmiany podstawowej struktury swoich produktów, stwarzając możliwości dla innowacji w projektowaniu tunerów.
Wzrost popytu na rynek przenośnej rozrywki przyczynił się również do zmian w konstrukcji tunera. Przenośny oznacza urządzenia zasilane bateryjnie lub przenośne i zabrania stosowania wysokich napięć w implementacjach LO. Ponadto urządzenia przenośne wymagają znacznie mniejszych implementacji niż typowe tunery. Na rosnącym rynku płaskich wyświetlaczy / telewizorów ważny jest również mały rozmiar. W przypadku płaskiego panelu rozmiar tunera może być czynnikiem ograniczającym zmniejszanie grubości produktu.
Innym trendem, który wpływa na wymagania dotyczące tunerów, jest to, że konsumenci chcą jednocześnie odbierać wiele kanałów. Oznacza to, że wymagany jest więcej niż jeden tuner, co zajmuje więcej miejsca, co wpływa na rozmiar systemu i zwiększa koszt tunera dla produktu końcowego. Presja rynku na zmniejszenie rozmiaru i inne trendy sprzyjały stosowaniu konstrukcji krzemowych tunerów.
3) Wyeliminuj ręczne strojenie
Istnieje wiele celów związanych z projektowaniem tunerów krzemowych. Jednym z głównych celów jest wyeliminowanie konieczności ręcznego dostosowywania komponentów zewnętrznych w filtrze śledzenia. W krzemie są dwa efekty. Jednym z nich jest to, że wyeliminowanie większości zewnętrznych komponentów eliminuje również ich zdolność do pochłaniania i rozpraszania niepożądanej energii RF z wykluczonego pasma częstotliwości. Tunery krzemowe muszą wykorzystywać innowacyjne projekty obwodów w LNA i mikserach, aby zarządzać niepożądaną energią bez uszkadzania tranzystorów.
Drugim skutkiem jest potrzeba nowej architektury RF. Wczesne konstrukcje tunerów krzemowych próbowały przyjąć metodę podwójnej konwersji, która zapewniała selektywność bez ręcznego dostrajania komponentów zewnętrznych. Pierwsza konwersja przesuwa częstotliwość sygnału wejściowego w górę. Filtr RF SAW zmniejsza szerokość pasma przed konwersją na IF po raz drugi. Urządzenie filtrujące stanowi główny koszt tego projektu.
Ostatnio technologia samokalibracji jest wykorzystywana do przezwyciężenia zmian w produkcji procesów półprzewodnikowych. Niektóre eliminują również potrzebę stosowania zasilaczy wysokonapięciowych dla LO i urządzeń RF SAW. Zamiast tego używają tylko filtrów SAW w stopniu IF, które mają znacznie niższą częstotliwość i są tańszymi urządzeniami niż filtry RF SAW.
Wdrażanie tych projektów w krzemie wymaga zaawansowanej technologii procesu półprzewodnikowego. Dostawcy chipów zwykle charakteryzują tylko proces ich cyfrowej implementacji VLSI. Aby zaimplementować tuner krzemowy, proces musi być scharakteryzowany na podstawie wydajności RF. Ponadto proces musi mieć sposób na wytworzenie cewki indukcyjnej o prawidłowej wartości i mieć wystarczająco wysoką wartość Q dla realizacji niskofazowego szumu LO lub konstrukcji filtra RF. Taki proces można teraz zastosować.
Poza procesami półprzewodnikowymi, tunery krzemowe wymagają starannego zaprojektowania chipa. RF ma wiele możliwości dla wypromieniowanych i przewodzonych zakłóceń. W przypadku jednoukładowego tunera krzemowego, bliskość linii sygnałowych na chipie i współdzielenie substratów obwodów pogarsza to. Kontrolowanie tych zakłóceń wymaga układu, który oddziela krytyczne obwody i obejmuje wzorce ekranowania. Projekt wymaga również starannego tworzenia i zarządzania sieciami dystrybucji zasilania i naziemnymi. Ponadto projekt musi zawierać elementy filtrujące na chipie i poza chipem, aby przerwać ścieżkę sygnału zakłóceń.
Wszystkie te problemy zostały rozwiązane, a wraz z pojawieniem się krzemowych tunerów projektanci produktów zaczęli szukać sposobów na pozbycie się starego tunera w puszce. Odbiorniki satelitarne i kablowe jako pierwsze przyjęły tę metodę. Przetwarzają sygnały o mniej więcej takiej samej mocy w każdym kanale. Ta jednorodność kanałów nieco upraszcza konstrukcję tunera, umożliwiając spełnienie wymagań wczesnych krzemowych urządzeń tunera.
Jednak odbiór telewizji naziemnej musi korzystać z tunera, który może zapewnić selektywność w szerokim zakresie poziomów mocy kanału. Możliwość łączenia silnych sygnałów w sąsiednich kanałach ze słabymi interesującymi kanałami nakłada ścisłe ograniczenia na selektywność konstrukcji tunera. Do niedawna innowacyjne architektury RF i ulepszone przetwarzanie półprzewodników RF pozwalały tunerom krzemowym osiągnąć wymaganą wydajność przy niskich kosztach.
Eliminując potrzebę ręcznej regulacji, te krzemowe tunery mogą zwiększyć wydajność produkcji i zapewnić bardziej niezawodną wydajność niż starsze konstrukcje. Spełniają potrzeby urządzeń przenośnych, eliminując potrzebę stosowania zasilaczy wysokonapięciowych i umożliwiając kompaktowe wdrożenia. Biorąc pod uwagę wpływ rynku na te atrybuty, oczekuje się, że tunery krzemowe dostosują konstrukcje odbiorników telewizyjnych do innych części przemysłu elektronicznego.
Ravi Shenoy ([email chroniony]) jest dyrektorem ds. analogowych i technologii RF w LSI Logic (Milpitas, Kalifornia).
Nasze inne produkty:
