Televize, videorekordéry, set-top boxy a širokopásmové kabelové přijímače mají společný prvek: tuner. Ačkoli se všechny ostatní elektronické součástky v těchto zařízeních zmenšují, jak se zmenšuje polovodičová technologie, spotřebitelské aplikace často používají k dosažení této kritické funkce obrovské „tunerové tanky“. Náročná omezení designu tunerů jsou důvodem, proč tato technologie přetrvává, ale tržní síly tlačí křemíkové tunery do popředí.
Návrhář tuneru musí překonat mnoho výzev. Vstupní signál v televizních a kabelových aplikacích se nachází ve frekvenčním pásmu 48 MHz až 861 MHz a síla signálu může mít široký dynamický rozsah. Například v aplikacích pro televizní vysílání může mít zvolený signál sousední nežádoucí kanály, jejichž síla signálu přesahuje 100krát.
Typický design tuneru používá architekturu přijímače s jediným převodem, i když jsou možné i jiné architektury. Struktura tuneru s jednou konverzí obsahuje filtr předvolby, zesilovač s nízkým šumem (LNA), převodník dolů a zesilovač se střední frekvencí (IF).
1. Omezení designu silikonového tuneru
1) Předvolené sledování filtru
Filtr předvolby převezme frekvenční pásmo plného frekvenčního signálu a zredukuje jej na menší frekvenční pásmo obsahující požadovaný kanál. S ohledem na široký frekvenční rozsah kanálu to znamená, že filtr předvolby musí být sledovací pásmový filtr, jehož střední frekvence se může měnit v celém spektru signálu. LNA s funkcemi RF automatického řízení zisku obvykle sledují předem zvolený filtr.
Fáze downconverteru je tradičníiontově heterodynní systém. Downconverter je navržen s výběrem kanálu, který zahrnuje úpravu lokálního oscilátoru (LO) tak, aby rozdíl mezi jeho frekvencí a požadovaným signálem spadal do pásmové propusti IF filtru. Tato fáze využívá vysoce výkonné úzkopásmové filtry s pevnou frekvencí-obvykle zařízení s povrchovou akustickou vlnou (SAW)-výběrem a vyloučením všech ostatních možností. Následuje IF zesilovač s variabilním řízením zisku, který umožňuje systému přizpůsobit sílu zvoleného signálu potřebám demodulačního a detekčního obvodu, který tuner řídí.
S ohledem na široký rozsah frekvence a síly vstupního signálu přinese použití této architektury pro generování dobře výkonného tuneru mnoho výzev. Jedním z nich je filtr předběžného výběru. Aby pokryly celou šířku pásma signálu, typické implementace tuneru pro televizní vysílání vyžadují, aby filtry fungovaly ve třech různých frekvenčních pásmech: VHF (velmi vysoká frekvence), 48 až 88 MHz; střední VKV, 174 až 216 MHz; a UHF (super vysoká frekvence) při 470 až 861 MHz. Běžnou implementací je použití samostatných filtrů, jeden pro každý filtr.
2) Vícepásmový provoz
Předvolba filtru vybírá pásmo provozní frekvence, ale stále může být nutné implementovat sledovací filtr, který zajistí požadovanou selektivitu. Sledovací filtr musí udržovat relativně pevnou šířku pásma, i když se střední frekvence může měnit v mnoha oktávách. Realizace takového filtru obvykle vyžaduje velký počet pasivních součástek, jako jsou induktory, které je nutné v továrně ručně vyladit, aby se dosáhlo správného výkonu. Tato poptávka po pasivních komponentách a ručním ladění výrazně zvyšuje velikost a cenu tuneru. Typický tuner může měřit 2.5 x 2 x 0.75 palce.
Filtr předvolby však není jedinou součástí, která má problémy s designem. LO v downconvertoru musí také zvládnout široký frekvenční rozsah. Předvolba filtru pouze zmenšuje šířku pásma vstupního signálu. Signál zájmu může stále klesat kamkoli v rozsahu 48 až 861 MHz a LO musí v zásadě tento rozsah pokrývat. Kromě toho musí LO vykazovat nízký fázový šum v blízkém dosahu, jinak bude ohrožen příjem kanálu DTV. Oscilátor s integrovaným obvodem dosahuje tak širokého frekvenčního rozsahu, který nelze naladit, a zároveň vykazuje nízkofázový šum pomocí typického 3voltového napájecího napětí dnešních elektronických systémů. Může být vyžadováno napájení až 30 V.
Aby splnili všechny tyto požadavky na výkon, většina dodavatelů se rozhodla zachovat tradiční návrhy tunerů TV a VCR, a to navzdory jejich nákladům a velikosti. Tlaky na trhu ale začínají vynucovat změnu. Jedním z prvků je povolení Federální komunikační komise, to znamená, že všechny televizory prodávané ve Spojených státech začaly používat tunery schopné přijímat digitální televizní vysílání. Tento úkol nutí dodavatele změnit základní strukturu svých produktů a vytvářet příležitosti pro inovace v designu tunerů.
Růst poptávky na trhu přenosné zábavy také podpořil změny v designu tuneru. Přenosný znamená zařízení napájená bateriemi nebo ruční zařízení a zakazuje používání vysokého napětí v implementacích LO. Přenosná zařízení navíc vyžadují mnohem menší implementace než typické tunery. Na rostoucím trhu s plochými displeji/televizory jsou malé rozměry také důležité. V provedení s plochým panelem může být velikost tuneru limitujícím faktorem pro ředění produktu.
Dalším trendem, který ovlivňuje požadavky na tuner, je to, že spotřebitelé chtějí přijímat více kanálů současně. To znamená, že je vyžadován více než jeden tuner, který zabírá více místa, což ovlivňuje velikost systému a zvyšuje náklady na tuner pro konečný produkt. Tlak trhu na zmenšení velikosti a další trendy podporovaly používání silikonových tunerů.
3) Odstraňte ruční ladění
Pro design silikonového tuneru existuje mnoho cílů. Jedním z hlavních cílů je eliminovat potřebu ručně upravovat externí součásti ve sledovacím filtru. V křemíku existují dva efekty. Jedním z nich je, že odstranění většiny vnějších komponent také eliminuje jejich schopnost absorbovat a rozptylovat nežádoucí RF energii z vyloučeného frekvenčního pásma. Silikonové tunery musí používat inovativní návrh obvodů v LNA a mixérech pro řízení nežádoucí energie bez poškození tranzistorů.
Druhým dopadem je potřeba nové RF architektury. Rané designy křemíkového tuneru se pokusily přijmout metodu dvojité konverze, která poskytovala selektivitu bez ručního ladění externích komponent. První převod posune frekvenci vstupního signálu nahoru. Před podruhým převodem na IF filtr RF SAW zmenšuje šířku pásma. Filtrační zařízení představuje hlavní náklady na tento design.
V poslední době se k překonání změn ve výrobě polovodičových procesů používá technologie vlastní kalibrace. Některé také eliminují potřebu vysokonapěťových napájecích zdrojů pro LO a potřebu zařízení RF SAW. Místo toho používají ve fázi IF pouze filtry SAW, které mají mnohem nižší frekvenci a jsou levnější než filtry RF SAW.
Implementace těchto návrhů do křemíku vyžaduje pokročilou technologii polovodičových procesů. Dodavatelé čipů obvykle charakterizují pouze proces jejich digitální implementace VLSI. Pro implementaci křemíkového tuneru musí být proces charakterizován na základě výkonu RF. Kromě toho musí tento proces mít způsob, jak vytvořit induktor správné hodnoty a mít dostatečně vysoký Q pro implementaci LO s nízkým fázovým šumem nebo návrh RF filtru. Nyní lze takový proces použít.
Kromě polovodičových procesů vyžadují křemíkové tunery pečlivý design čipů. RF má mnoho příležitostí pro vyzařované a vedené rušení. U designu jednočipového křemíkového tuneru to zhoršuje blízkost signálových linek na čipu a sdílení obvodových substrátů. Řízení tohoto rušení vyžaduje rozložení, které odděluje kritické obvody a zahrnuje stínící vzory. Návrh také vyžaduje pečlivé vytváření a správu napájecích a pozemních distribučních sítí na čipu. Kromě toho musí návrh obsahovat filtrační součásti na čipu i mimo něj, aby se přerušila cesta interferenčního signálu.
Všechny tyto problémy byly vyřešeny a s příchodem křemíkových tunerových zařízení začali designéři produktů hledat způsoby, jak se starého tuneru v nádobě zbavit. Satelitní a kabelové přijímače byly první, kdo tuto metodu přijal. Zpracovávají signály se zhruba stejným výkonem v každém kanálu. Tato jednotnost kanálů mírně zjednodušuje konstrukci tuneru, což umožňuje včasnému vybavení křemíkovým tunerem splnit požadavky.
Příjem pozemního vysílání však musí používat tuner, který může poskytovat selektivitu v širokém rozsahu úrovní výkonu kanálu. Možnost kombinace silných signálů v sousedních kanálech se slabými kanály zájmu ukládá přísná omezení selektivity konstrukce tuneru. Inovativní RF architektury a vylepšené RF polovodičové zpracování donedávna umožňovaly křemíkovým tunerům dosáhnout požadovaného výkonu za nízkou cenu.
Díky eliminaci potřeby ručního nastavování mohou tyto křemíkové tunery zvýšit výtěžnost výroby a poskytnout spolehlivější výkon než starší konstrukce. Splňují potřeby přenosných zařízení tím, že eliminují potřebu vysokonapěťových napájecích zdrojů a umožňují kompaktní implementace. Vzhledem k vlivu trhu na tyto atributy se od silikonových tunerů očekává, že sladí návrhy televizních přijímačů s ostatními částmi elektronického průmyslu.
Ravi Shenoy ([chráněno e-mailem]) je analogový režisér a RF technologie LSI Logic (Milpitas, Kalifornie).
Náš další produkt:
