Televisies, videorecorders, settopboxen en breedbandkabelontvangers hebben allemaal een gemeenschappelijk element: de tuner. Hoewel alle andere elektronische componenten in deze apparaten krimpen naarmate de halfgeleidertechnologie krimpt, gebruiken consumententoepassingen vaak enorme "tunertanks" om deze kritieke functie te bereiken. Uitdagende beperkingen op het ontwerp van tuners zijn de reden waarom deze technologie blijft bestaan, maar de marktkrachten duwen siliciumtuners naar de voorgrond.
De ontwerper van de tuner moet veel uitdagingen overwinnen. Het ingangssignaal in omroeptelevisie en kabeltoepassingen ligt in de frequentieband van 48 MHz tot 861 MHz, en de signaalsterkte kan een breed dynamisch bereik hebben. In omroeptelevisietoepassingen kan het te selecteren signaal bijvoorbeeld aangrenzende ongewenste kanalen hebben waarvan de signaalsterkte 100 keer groter is.
Een typisch tunerontwerp gebruikt een enkele conversie-ontvangerarchitectuur, hoewel andere architecturen ook mogelijk zijn. De structuur van een enkele conversietuner omvat een voorselectiefilter, een ruisarme versterker (LNA), een neerwaartse omzetter en een middenfrequentieversterker (IF).
1. Beperkingen van het ontwerp van de siliciumtuner
1) Voorgeselecteerde filtertracking
Het voorselectiefilter neemt de frequentieband van het volledige frequentiesignaal en reduceert deze tot een kleinere frequentieband die het betreffende kanaal bevat. Gezien het brede frequentiebereik van het kanaal betekent dit dat het voorselectiefilter een volgbanddoorlaatfilter moet zijn waarvan de middenfrequentie over het signaalspectrum kan variëren. LNA's met RF-functies voor automatische versterkingsregeling volgen meestal een vooraf geselecteerd filter.
De downconverter-fase is traditioneel tradionisch een heterodyne systeem. De downconverter is ontworpen met kanaalselectie, waarbij de lokale oscillator (LO) wordt aangepast zodat het verschil tussen de frequentie en het gewenste signaal binnen de banddoorlaat van het IF-filter valt. Deze fase maakt gebruik van hoogwaardige, smalbandige filters met vaste frequentie - meestal SAW-apparaten (surface akoestische golf) - door alle andere opties te selecteren en uit te sluiten. Dit wordt gevolgd door een IF-versterker met variabele versterkingsregeling, waardoor het systeem de sterkte van het geselecteerde signaal kan afstemmen op de behoeften van het demodulatie- en detectiecircuit dat de tuner aanstuurt.
Gezien het brede frequentie- en signaalsterktebereik van het ingangssignaal, zal het gebruik van deze architectuur om een goed presterende tuner te genereren vele uitdagingen met zich meebrengen. Een daarvan is het voorselectiefilter. Om de volledige signaalbandbreedte te dekken, vereisen typische implementaties van tv-uitzendingen dat filters in drie verschillende frequentiebanden werken: VHF (zeer hoge frequentie), 48 tot 88 MHz; middelgrote VHF, 174 tot 216 MHz; en UHF (superhoge frequentie) op 470 tot 861 MHz. Een veel voorkomende implementatie is het gebruik van afzonderlijke filters, één voor elk filter.
2) Multibandbediening
Het voorselectiefilter selecteert de werkfrequentieband, maar het kan nog steeds nodig zijn om een volgfilter te implementeren om de vereiste selectiviteit te bieden. Het volgfilter moet een relatief vaste bandbreedte behouden, hoewel de middenfrequentie over vele octaven kan veranderen. De realisatie van een dergelijk filter vereist meestal een groot aantal passieve componenten, zoals inductoren, die in de fabriek handmatig moeten worden afgesteld om goede prestaties te verkrijgen. Deze vraag naar passieve componenten en handmatige afstemming verhoogt de omvang en kosten van de tuner aanzienlijk. Een typische tuner kan 2.5 x 2 x 0.75 inch meten.
Het voorselectiefilter is echter niet het enige onderdeel met ontwerpuitdagingen. De LO in de downconverter moet ook een breed frequentiebereik aan. Het voorselectiefilter reduceert alleen de bandbreedte van het ingangssignaal. Het van belang zijnde signaal kan nog steeds ergens in het bereik van 48 tot 861 MHz vallen, en de LO moet in principe dit bereik dekken. Bovendien moet de LO een lage faseruis van dichtbij vertonen, anders wordt de ontvangst van DTV-kanalen in gevaar gebracht. De geïntegreerde circuitoscillator bereikt zo'n breed frequentiebereik dat niet kan worden afgestemd, en vertoont tegelijkertijd een lage faseruis met behulp van de typische 3-volt voedingsspanning van de hedendaagse elektronische systemen. Een voeding tot 30 V kan nodig zijn.
Om aan al deze prestatie-eisen te voldoen, kiezen de meeste leveranciers ervoor om de traditionele tv- en videorecorder-tunerontwerpen te behouden, ondanks hun kosten en grootte. Maar de druk van de markt begint verandering af te dwingen. Een van de elementen is de toestemming van de Federal Communications Commission, dat wil zeggen dat alle tv's die in de Verenigde Staten worden verkocht, tuners gaan gebruiken die digitale tv-uitzendingen kunnen ontvangen. Deze taak dwingt leveranciers om de basisstructuur van hun producten te veranderen, waardoor er kansen ontstaan voor innovatie in het ontwerp van tuners.
De groeiende vraag naar de draagbare entertainmentmarkt heeft ook geleid tot veranderingen in het ontwerp van de tuner. Draagbaar betekent batterijgevoede of draagbare apparaten en verbiedt het gebruik van hoge spanningen in LO-implementaties. Bovendien vereisen draagbare apparaten veel kleinere implementaties dan typische tuners. In de groeiende markt voor platte beeldschermen/tv's is klein formaat ook belangrijk. In een flatpanel-ontwerp kan de grootte van de tuner de beperkende factor zijn voor het dunner worden van het product.
Een andere trend die de tunervereisten beïnvloedt, is dat consumenten meerdere kanalen tegelijk willen ontvangen. Dit betekent dat er meer dan één tuner nodig is, wat meer ruimte in beslag neemt, wat de systeemgrootte beïnvloedt en de kosten van de tuner voor het eindproduct verhoogt. Marktdruk om de afmetingen te verkleinen en andere trends hebben het gebruik van siliciumtunerontwerpen bevorderd.
3) Elimineer handmatige afstemming
Er zijn veel doelen voor het ontwerp van een siliciumtuner. Een van de belangrijkste doelen is om de noodzaak om externe componenten in het trackingfilter handmatig aan te passen te elimineren. Er zijn twee effecten in silicium. Een daarvan is dat het elimineren van de meeste externe componenten ook hun vermogen om ongewenste RF-energie van de uitgesloten frequentieband te absorberen en te dissiperen elimineert. Siliciumtuners moeten innovatieve circuitontwerpen in LNA's en mixers gebruiken om ongewenste energie te beheren zonder de transistors te beschadigen.
De tweede impact is de behoefte aan een nieuwe RF-architectuur. Vroege ontwerpen van siliciumtuners probeerden een dubbele conversiemethode toe te passen, die selectiviteit bood zonder handmatige afstemming van externe componenten. De eerste conversie verschuift de frequentie van het ingangssignaal naar boven. Het RF SAW-filter vermindert de bandbreedte voordat het voor de tweede keer naar IF wordt geconverteerd. Het filterapparaat vertegenwoordigt de belangrijkste kosten van dit ontwerp.
Onlangs wordt zelfkalibratietechnologie gebruikt om de veranderingen in de fabricage van halfgeleiderprocessen te overwinnen. Sommige elimineren ook de noodzaak van hoogspanningsvoedingen voor de LO en de noodzaak van RF SAW-apparaten. In plaats daarvan gebruiken ze alleen SAW-filters in de IF-fase, die een veel lagere frequentie hebben en goedkopere apparaten zijn dan RF SAW-filters.
Het implementeren van deze ontwerpen in silicium vereist geavanceerde halfgeleiderprocestechnologie. Chipleveranciers karakteriseren meestal alleen het proces van hun digitale VLSI-implementatie. Om een siliciumtuner te implementeren, moet het proces worden gekarakteriseerd op basis van RF-prestaties. Bovendien moet het proces een manier hebben om een inductor met de juiste waarde te creëren en een voldoende hoge Q hebben voor LO-implementatie met lage faseruis of RF-filterontwerp. Een dergelijk proces kan nu worden gebruikt.
Naast halfgeleiderprocessen vereisen siliciumtuners een zorgvuldig chipontwerp. RF heeft veel mogelijkheden voor uitgestraalde en geleide interferentie. In een single-chip siliciumtunerontwerp verergeren de nabijheid van on-chip signaallijnen en het delen van circuitsubstraten dit. Het beheersen van deze interferentie vereist een lay-out die kritieke circuits scheidt en afschermingspatronen bevat. Het ontwerp vereist ook een zorgvuldige creatie en beheer van on-chip stroom- en gronddistributienetwerken. Bovendien moet het ontwerp on-chip en off-chip filtercomponenten bevatten om het interferentiesignaalpad te doorbreken.
Al deze problemen zijn opgelost en met de komst van silicium tuner-apparaten zijn productontwerpers begonnen manieren te vinden om van de oude tuner-in-een-can af te komen. Satelliet- en kabelontvangers waren de eersten die deze methode gebruikten. Ze verwerken signalen met ongeveer hetzelfde vermogen in elk kanaal. Deze kanaaluniformiteit vereenvoudigt het tunerontwerp enigszins, waardoor vroege siliciumtunerapparatuur aan de vereisten kan voldoen.
Voor de ontvangst van terrestrische uitzendingen moet echter een tuner worden gebruikt die selectiviteit kan bieden over een groot aantal kanaalvermogensniveaus. De mogelijkheid om sterke signalen in aangrenzende kanalen te combineren met zwakke kanalen die van belang zijn, legt strikte beperkingen op aan de selectiviteit van het tunerontwerp. Tot voor kort zorgden innovatieve RF-architecturen en verbeterde RF-halfgeleiderverwerking ervoor dat siliciumtuners de vereiste prestaties tegen lage kosten konden bereiken.
Doordat handmatige aanpassingen niet meer nodig zijn, kunnen deze siliciumtuners de productieopbrengsten verhogen en betrouwbaardere prestaties leveren dan oudere ontwerpen. Ze voldoen aan de behoeften van draagbare apparaten door de noodzaak van hoogspanningsvoedingen te elimineren en compacte implementaties mogelijk te maken. Gezien de invloed van de markt op deze kenmerken, wordt verwacht dat siliciumtuners de ontwerpen van tv-ontvangers afstemmen op andere delen van de elektronica-industrie.
Ravi Shenoy ([e-mail beveiligd]) is de analoge directeur en RF-technologie van LSI Logic (Milpitas, Californië).
Onze andere producten:
