Televízory, videorekordéry, set-top boxy a širokopásmové káblové prijímače majú spoločný prvok: tuner. Aj keď sa všetky ostatné elektronické súčiastky v týchto zariadeniach zmenšujú s tým, ako sa zmenšuje polovodičová technológia, spotrebiteľské aplikácie často používajú na dosiahnutie tejto kritickej funkcie obrovské „tanky s tunerom“. Náročné obmedzenia dizajnu tunerov sú dôvodom, prečo táto technológia pretrváva, ale trhové sily tlačia do popredia kremíkové tunery.
Dizajnér tunera musí prekonať mnohé výzvy. Vstupný signál v televíznych a káblových aplikáciách sa nachádza vo frekvenčnom pásme 48 MHz až 861 MHz a sila signálu môže mať široký dynamický rozsah. Napríklad v aplikáciách pre televízny prenos môže mať zvolený signál priľahlé nežiaduce kanály, ktorých sila signálu presahuje 100 -krát.
Typický dizajn tunera používa architektúru prijímača s jednou konverziou, aj keď sú možné aj iné architektúry. Štruktúra jedného konverzného tunera obsahuje predvoľbový filter, zosilňovač s nízkym šumom (LNA), dolný prevodník a medzifrekvenčný (IF) zosilňovač.
1. Obmedzenia dizajnu kremíkového tunera
1) Vopred vybrané sledovanie filtra
Predvolený filter vezme frekvenčné pásmo signálu celého frekvenčného pásma a zníži ho na menšie frekvenčné pásmo obsahujúce požadovaný kanál. Vzhľadom na široký frekvenčný rozsah kanála to znamená, že predvoľbový filter musí byť sledovací pásmový filter, ktorého stredná frekvencia sa môže meniť v celom spektre signálu. LNA s funkciami automatického riadenia zisku RF sa spravidla riadia vopred zvoleným filtrom.
Fáza downconverter je tradičnáiónovo heterodynový systém. Downconverter je navrhnutý s výberom kanálov, ktorý zahŕňa úpravu lokálneho oscilátora (LO) tak, aby rozdiel medzi jeho frekvenciou a požadovaným signálom spadal do pásmového prechodu IF filtra. Táto fáza používa vysokovýkonné úzkopásmové filtre s pevnou frekvenciou-zvyčajne zariadenia s povrchovou akustickou vlnou (SAW)-výberom a vylúčením všetkých ostatných možností. Nasleduje zosilňovač IF s variabilným ovládaním zisku, ktorý umožňuje systému prispôsobiť silu zvoleného signálu potrebám demodulačného a detekčného obvodu, ktorým tuner jazdí.
Vzhľadom na široký rozsah frekvencií a sily vstupného signálu prinesie používanie tejto architektúry na generovanie dobre výkonného tunera mnoho výziev. Jedným z nich je filter predbežného výberu. Aby sa pokryla celá šírka pásma signálu, typické implementácie tunera televízneho vysielania vyžadujú, aby filtre pracovali v troch rôznych frekvenčných pásmach: VHF (veľmi vysoká frekvencia), 48 až 88 MHz; stredný VKV, 174 až 216 MHz; a UHF (super vysoká frekvencia) pri 470 až 861 MHz. Bežnou implementáciou je použitie samostatných filtrov, pre každý filter jeden.
2) Viacpásmová prevádzka
Predvolený filter vyberá pásmo prevádzkových frekvencií, ale na zaistenie požadovanej selektivity môže byť stále potrebné implementovať sledovací filter. Sledovací filter musí udržiavať relatívne pevnú šírku pásma, aj keď sa stredová frekvencia môže meniť v priebehu mnohých oktáv. Realizácia takéhoto filtra zvyčajne vyžaduje veľký počet pasívnych komponentov, ako sú induktory, ktoré je potrebné v továrni ručne doladiť, aby sa dosiahol správny výkon. Tento dopyt po pasívnych komponentoch a manuálnom ladení výrazne zvyšuje veľkosť a náklady na tuner. Typický tuner môže merať 2.5 x 2 x 0.75 palca.
Predvolený filter však nie je jediným komponentom, ktorý má problémy s dizajnom. LO v downconvertore musí zvládnuť aj široký frekvenčný rozsah. Predvolený filter iba znižuje šírku pásma vstupného signálu. Požadovaný signál môže stále klesať kdekoľvek v rozsahu 48 až 861 MHz a LO musí v zásade tento rozsah pokrývať. Okrem toho musí LO vykazovať nízky fázový šum v blízkom dosahu, inak bude ohrozený príjem kanála DTV. Oscilátor s integrovaným obvodom dosahuje taký široký frekvenčný rozsah, ktorý nie je možné naladiť, a súčasne vykazuje nízky fázový šum pomocou typického 3-voltového napájacieho napätia súčasných elektronických systémov. Môže byť potrebné napájanie až 30 V.
Aby sa splnili všetky tieto požiadavky na výkon, väčšina dodávateľov sa rozhodne zachovať tradičné prevedenie tunera pre televízory a videorekordéry, a to napriek svojim nákladom a rozmerom. Tlaky na trhu však začínajú vynucovať zmenu. Jedným z prvkov je autorizácia Federálnej komunikačnej komisie, to znamená, že všetky televízory predávané v USA začali používať tunery schopné prijímať digitálne televízne vysielanie. Táto úloha núti dodávateľov zmeniť základnú štruktúru svojich produktov a vytvárať príležitosti pre inovácie v oblasti dizajnu tunerov.
Rast dopytu po trhu s prenosnou zábavou podporil aj zmeny v dizajne tunera. Prenosný znamená zariadenia napájané z batérie alebo ručné zariadenia a zakazuje používanie vysokého napätia v implementáciách LO. Prenosné zariadenia navyše vyžadujú oveľa menšie implementácie ako typické tunery. Na rastúcom trhu s plochými panelmi/televízormi sú malé rozmery tiež dôležité. V prípade plochého panela môže byť veľkosť tunera obmedzujúcim faktorom pri riedení produktu.
Ďalším trendom, ktorý ovplyvňuje požiadavky na tuner, je to, že spotrebitelia chcú prijímať viac kanálov súčasne. To znamená, že je potrebný viac ako jeden tuner, ktorý zaberá viac miesta, čo ovplyvňuje veľkosť systému a zvyšuje náklady na tuner pre konečný produkt. Tlak trhu na zmenšovanie veľkosti a ďalšie trendy podporovali používanie dizajnov kremíkového tunera.
3) Odstráňte manuálne ladenie
Existuje veľa cieľov pre dizajn kremíkového tunera. Jedným z hlavných cieľov je eliminovať potrebu ručného nastavovania externých komponentov vo filtri sledovania. V kremíku existujú dva efekty. Jedným z nich je, že odstránením väčšiny externých komponentov sa tiež eliminuje ich schopnosť absorbovať a rozptyľovať nežiaducu RF energiu z vylúčeného frekvenčného pásma. Silikónové tunery musia používať inovatívne návrhy obvodov v LNA a mixéroch na zvládnutie nežiaducej energie bez poškodenia tranzistorov.
Druhým dôsledkom je potreba novej RF architektúry. Počiatočné návrhy kremíkových tunerov sa pokúšali prijať metódu dvojitej konverzie, ktorá poskytovala selektivitu bez ručného ladenia externých komponentov. Prvá konverzia posúva frekvenciu vstupného signálu nahor. Filter RF SAW redukuje šírku pásma pred druhým prevodom na IF. Filtračné zariadenie predstavuje hlavné náklady na tento dizajn.
V poslednej dobe sa používa technológia samokalibrácie na prekonanie zmien vo výrobe polovodičových procesov. Niektoré tiež eliminujú potrebu vysokonapäťových napájacích zdrojov pre LO a potrebu zariadení RF SAW. Namiesto toho vo fáze IF používajú iba filtre SAW, ktoré majú oveľa nižšiu frekvenciu a sú lacnejšími zariadeniami ako filtre RF SAW.
Implementácia týchto návrhov do kremíka vyžaduje pokročilú technológiu polovodičových procesov. Dodávatelia čipov zvyčajne charakterizujú iba proces ich implementácie digitálnych VLSI. Na implementáciu kremíkového tunera musí byť proces charakterizovaný na základe výkonu RF. Okrem toho musí tento proces mať spôsob, ako vytvoriť induktor so správnou hodnotou a dostatočne vysoký Q na implementáciu LO s nízkym fázovým šumom alebo návrh RF filtra. Teraz je možné použiť takýto postup.
Okrem polovodičových procesov vyžadujú kremíkové tunery starostlivý dizajn čipov. RF má mnoho príležitostí na vyžarované a vedené rušenie. V dizajne jednočipového kremíkového tunera to zhoršuje blízkosť signálnych vedení na čipe a zdieľanie substrátov obvodov. Riadenie tohto rušenia vyžaduje rozloženie, ktoré oddeľuje kritické obvody a obsahuje vzory tienenia. Návrh tiež vyžaduje starostlivé vytváranie a správu energetických a pozemných distribučných sietí na čipe. Konštrukcia musí navyše obsahovať súčasti filtrovania na či mimo čipu, aby sa prerušila cesta interferenčného signálu.
Všetky tieto problémy boli vyriešené a s príchodom kremíkových tunerových zariadení začali produktoví dizajnéri hľadať spôsoby, ako sa zbaviť starého tunera v plechovke. Satelitné a káblové prijímače boli prvé, ktoré prijali túto metódu. V každom kanáli spracovávajú signály so zhruba rovnakým výkonom. Táto jednotnosť kanálov mierne zjednodušuje návrh tunera a umožňuje skorému vybaveniu kremíkového tunera splniť požiadavky.
Na príjem pozemného vysielania však musí byť použitý tuner, ktorý môže poskytovať selektivitu v širokom rozsahu úrovní výkonu kanálov. Možnosť kombinovania silných signálov v susedných kanáloch so slabými požadovanými kanálmi ukladá prísne obmedzenia selektivity konštrukcie tunera. Inovatívne architektúry RF a vylepšené spracovanie polovodičov RF donedávna umožňovali kremíkovým tunerom dosiahnuť požadovaný výkon pri nízkych nákladoch.
Odstránením potreby ručného nastavovania môžu tieto kremíkové tunery zvýšiť výrobné výťažky a poskytnúť spoľahlivejší výkon ako staršie konštrukcie. Spĺňajú potreby prenosných zariadení tým, že eliminujú potrebu vysokonapäťových napájacích zdrojov a umožňujú kompaktné implementácie. Vzhľadom na vplyv trhu na tieto atribúty sa očakáva, že kremíkové tunery zladia dizajn televíznych prijímačov s inými časťami elektronického priemyslu.
Ravi Shenoy ([chránené e-mailom]) je analógový riaditeľ a RF technológia spoločnosti LSI Logic (Milpitas, Kalifornia).
Náš ďalší produkt:
