Fjernsyn, videooptagere, set-top-bokse og bredbåndskabelmodtagere har alle et fælles element: tuneren. Selvom alle andre elektroniske komponenter i disse enheder krymper efterhånden som halvlederteknologien krymper, bruger forbrugerapplikationer ofte enorme "tunertanke" til at opnå denne kritiske funktion. Udfordrende restriktioner på tunerdesign er grunden til, at denne teknologi fortsætter, men markedskræfterne skubber siliciumtunere i front.
Tunerdesigneren skal overkomme mange udfordringer. Indgangssignalet i broadcast-tv og kabelapplikationer ligger i frekvensbåndet 48 MHz til 861 MHz, og signalstyrken kan have et bredt dynamisk område. For eksempel i udsendelses-tv-applikationer kan signalet, der skal vælges, have tilstødende uønskede kanaler, hvis signalstyrke overstiger 100 gange.
Et typisk tunerdesign bruger en enkelt konverteringsmodtagerarkitektur, selvom andre arkitekturer også er mulige. Strukturen af en enkelt konverteringstuner inkluderer et forvalgsfilter, en lavstøjsforstærker (LNA), en nedkonverter og en mellemfrekvensforstærker (IF).
1. Begrænsninger af silicium tuner design
1) Forudvalgt filtersporing
Forvalgsfilteret tager det fulde frekvenssignals frekvensbånd og reducerer det til et mindre frekvensbånd, der indeholder kanalen af interesse. I lyset af kanalens brede frekvensområde betyder det, at forvalgsfilteret skal være et sporingsbåndpasfilter, hvis midterfrekvens kan variere over signalspektret. LNA'er med RF automatiske forstærkningskontrolfunktioner følger normalt et forudvalgt filter.
Downconverter-stadiet er traditioneltionalt et heterodynt system. Nedkonverteren er designet med kanalvalg, som involverer justering af lokaloscillatoren (LO), så forskellen mellem dens frekvens og signalet af interesse falder inden for IF-filterets båndpass. Dette trin bruger højtydende smalbåndsfiltre med fast frekvens - sædvanligvis overflade akustiske bølgeanordninger (SAW) - ved at vælge og udelukke alle andre muligheder. Dette efterfølges af en IF-forstærker med variabel forstærkningskontrol, som gør det muligt for systemet at matche styrken af det valgte signal til behovene i det demodulations- og detektionskredsløb, som tuneren driver.
I betragtning af det brede frekvens- og signalstyrkeområde for inputsignalet, vil brugen af denne arkitektur til at generere en tuner med god ydeevne give mange udfordringer. Det ene er forvalgsfilteret. For at dække den fulde signalbåndbredde kræver typiske tv-tunerimplementeringer filtre til at fungere i tre forskellige frekvensbånd: VHF (meget høj frekvens), 48 til 88 MHz; medium VHF, 174 til 216 MHz; og UHF (superhøj frekvens) ved 470 til 861 MHz. En almindelig implementering er at bruge separate filtre, et for hvert filter.
2) Multi-band drift
Forvalgsfilteret vælger driftsfrekvensbåndet, men det kan stadig være nødvendigt at implementere et sporingsfilter for at give den nødvendige selektivitet. Sporingsfilteret skal opretholde en relativt fast båndbredde, selvom centerfrekvensen kan ændre sig over mange oktaver. Realiseringen af et sådant filter kræver normalt et stort antal passive komponenter, såsom induktorer, som skal indstilles manuelt på fabrikken for at opnå korrekt ydeevne. Denne efterspørgsel efter passive komponenter og manuel tuning øger i høj grad størrelsen og omkostningerne på tuneren. En typisk tuner kan måle 2.5 x 2 x 0.75 tommer.
Forvalgsfilteret er dog ikke den eneste komponent med designudfordringer. LO'en i downconverteren skal også håndtere et bredt frekvensområde. Forvalgsfilteret reducerer kun indgangssignalets båndbredde. Signalet af interesse kan stadig falde overalt i området 48 til 861 MHz, og LO skal grundlæggende dække dette område. Derudover skal LO'en udvise lav tæt-range fasestøj, ellers vil DTV-kanalmodtagelse blive kompromitteret. Den integrerede kredsløbsoscillator opnår et så bredt frekvensområde, der ikke kan indstilles, og udviser samtidig lav fasestøj ved hjælp af den typiske 3-volts strømforsyningsspænding i nutidens elektroniske systemer. En strømforsyning på op til 30 V kan være påkrævet.
For at opfylde alle disse ydelseskrav vælger de fleste leverandører at beholde de traditionelle tv- og video-tunerdesigns på trods af deres omkostninger og størrelse. Men markedspres er begyndt at fremtvinge ændringer. Et af elementerne er tilladelsen fra Federal Communications Commission, det vil sige, at alle tv'er, der sælges i USA, er begyndt at bruge tunere, der er i stand til at modtage digitale tv-udsendelser. Denne opgave tvinger leverandører til at ændre den grundlæggende struktur af deres produkter, hvilket skaber muligheder for innovation inden for tunerdesign.
Væksten i efterspørgslen efter markedet for bærbar underholdning har også fremmet ændringer i tunerdesign. Bærbar betyder batteridrevne eller håndholdte enheder og forbyder brugen af højspændinger i LO-implementeringer. Derudover kræver bærbare enheder meget mindre implementeringer end typiske tunere. På det voksende marked for fladskærme/TV er lille størrelse også vigtig. I et fladskærmsdesign kan størrelsen af tuneren være den begrænsende faktor for produktudtynding.
En anden tendens, der påvirker tunerkravene, er, at forbrugerne ønsker at modtage flere kanaler på samme tid. Det betyder, at der kræves mere end én tuner, hvilket fylder mere, hvilket påvirker systemstørrelsen og øger prisen på tuneren for det endelige produkt. Markedets pres for at reducere størrelsen og andre tendenser har fremmet brugen af siliciumtunerdesign.
3) Eliminer manuel tuning
Der er mange mål for silicium tuner design. Et af hovedmålene er at eliminere behovet for manuelt at justere eksterne komponenter i sporingsfilteret. Der er to effekter i silicium. Den ene er, at eliminering af de fleste eksterne komponenter også eliminerer deres evne til at absorbere og sprede uønsket RF-energi fra det udelukkede frekvensbånd. Siliciumtunere skal bruge innovative kredsløbsdesign i LNA'er og mixere til at håndtere uønsket energi uden at beskadige transistorerne.
Den anden effekt er behovet for en ny RF-arkitektur. Tidlige siliciumtunerdesigns forsøgte at anvende en dobbeltkonverteringsmetode, som gav selektivitet uden manuel tuning af eksterne komponenter. Den første konvertering flytter frekvensen af inputsignalet opad. RF SAW-filteret reducerer båndbredden, før det konverteres til IF for anden gang. Filteranordningen repræsenterer hovedomkostningerne ved dette design.
For nylig er selvkalibreringsteknologi blevet brugt til at overvinde ændringerne i fremstilling af halvlederprocesser. Nogle eliminerer også behovet for højspændingsstrømforsyninger til LO og behovet for RF SAW-enheder. I stedet bruger de kun SAW-filtre i IF-stadiet, som har en meget lavere frekvens og er billigere enheder end RF SAW-filtre.
Implementering af disse designs i silicium kræver avanceret halvlederprocesteknologi. Chipleverandører karakteriserer normalt kun processen med deres digitale VLSI-implementering. For at implementere en siliciumtuner skal processen karakteriseres ud fra RF-ydelse. Derudover skal processen have en måde at skabe en induktor med den korrekte værdi og have en tilstrækkelig høj Q til lavfasestøj LO-implementering eller RF-filterdesign. En sådan proces kan nu bruges.
Ud over halvlederprocesser kræver siliciumtunere omhyggeligt chipdesign. RF har mange muligheder for udstrålet og ført interferens. I et single-chip silicium tuner design forværrer nærheden af on-chip signallinjer og deling af kredsløbssubstrater dette. Kontrol af denne interferens kræver et layout, der adskiller kritiske kredsløb og inkluderer afskærmningsmønstre. Designet kræver også omhyggelig oprettelse og styring af on-chip strøm- og jorddistributionsnetværk. Derudover skal designet omfatte on-chip og off-chip filtreringskomponenter for at bryde interferenssignalvejen.
Alle disse problemer er blevet løst, og med fremkomsten af silicium-tuner-enheder er produktdesignere begyndt at finde måder at slippe af med den gamle tuner-in-a-can. Satellit- og kabelmodtagere var de første til at anvende denne metode. De behandler signaler med nogenlunde samme effekt i hver kanal. Denne kanalensartethed forenkler tunerdesignet en smule, hvilket gør det muligt for tidligt siliciumtunerudstyr at opfylde kravene.
Dog skal jordbaseret udsendelsesmodtagelse bruge en tuner, der kan give selektivitet over en lang række kanaleffektniveauer. Muligheden for at kombinere stærke signaler i tilstødende kanaler med svage kanaler af interesse pålægger strenge begrænsninger for selektiviteten af tunerdesign. Indtil for nylig har innovative RF-arkitekturer og forbedret RF-halvlederbehandling gjort det muligt for siliciumtunere at opnå den krævede ydeevne til lave omkostninger.
Ved at eliminere behovet for manuelle justeringer kan disse siliciumtunere øge produktionsudbyttet og give mere pålidelig ydeevne end ældre designs. De opfylder behovene for bærbare enheder ved at eliminere behovet for højspændingsstrømforsyninger og tillade kompakte implementeringer. I betragtning af markedets indflydelse på disse egenskaber forventes siliciumtunere at tilpasse tv-modtagerdesign med andre dele af elektronikindustrien.
Ravi Shenoy ([e-mail beskyttet]) er den analoge direktør og RF-teknologi af LSI Logic (Milpitas, Californien).
Vores andet produkt:
