Os televisores, gravadores de vídeo, decodificadores e receptores de cable de banda ancha teñen un elemento común: o sintonizador. Aínda que o resto de compoñentes electrónicos destes dispositivos diminúen a medida que se reduce a tecnoloxía de semicondutores, as aplicacións de consumo adoitan empregar enormes "tanques sintonizadores" para acadar esta función crítica. As restricións desafiantes no deseño de sintonizadores son a razón pola que persiste esta tecnoloxía, pero as forzas do mercado están a empurrar os sintonizadores de silicio á vangarda.
O deseñador do afinador debe superar moitos desafíos. O sinal de entrada nas aplicacións de televisión e cable de radiodifusión está na banda de frecuencia de 48 MHz a 861 MHz, e a intensidade do sinal pode ter un amplo rango dinámico. Por exemplo, nas aplicacións de televisión por radiodifusión, o sinal a seleccionar pode ter canles non desexadas adxacentes cuxa intensidade de sinal supere as 100 veces.
Un deseño de sintonizador típico usa unha arquitectura de receptor de conversión única, aínda que tamén son posibles outras arquitecturas. A estrutura dun sintonizador de conversión único inclúe un filtro de preselección, un amplificador de baixo ruído (LNA), un conversor descendente e un amplificador de frecuencia intermedia (IF).
1. Restricións do deseño do afinador de silicio
1) Seguimento do filtro preseleccionado
O filtro de preselección toma a banda de frecuencia do sinal de frecuencia completa e redúceo a unha banda de frecuencia máis pequena que contén a canle de interese. Tendo en conta o amplo rango de frecuencia da canle, isto significa que o filtro de preselección debe ser un filtro de paso de banda de seguimento cuxa frecuencia central pode variar a través do espectro do sinal. Os LNA con funcións de control de ganancia automáticas por RF seguen normalmente un filtro preseleccionado.
A etapa de conversor descendente é tradicionalionalmente un sistema heterodino. O downconverter está deseñado coa selección de canles, o que implica axustar o oscilador local (LO) para que a diferenza entre a súa frecuencia e o sinal de interese caia dentro do paso de banda do filtro IF. Esta etapa usa filtros de frecuencia fixa de alto rendemento, de banda estreita, normalmente dispositivos de ondas acústicas superficiais (SAW), seleccionando e excluíndo todas as outras opcións. Segue un amplificador IF con control de ganancia variable, que permite ao sistema combinar a intensidade do sinal seleccionado coas necesidades do circuíto de demodulación e detección que está a dirixir o sintonizador.
Tendo en conta o amplo rango de frecuencia e intensidade do sinal do sinal de entrada, usar esta arquitectura para xerar un sintonizador de bo rendemento traerá moitos desafíos. Un deles é o filtro de preselección. Para cubrir o ancho de banda do sinal completo, as implementacións típicas do sintonizador de TV de difusión requiren filtros para funcionar en tres bandas de frecuencia diferentes: VHF (frecuencia moi alta), de 48 a 88 MHz; VHF medio, de 174 a 216 MHz; e UHF (super alta frecuencia) a 470 a 861 MHz. Unha implementación común é usar filtros separados, un para cada filtro.
2) Operación de varias bandas
O filtro de preselección selecciona a banda de frecuencia operativa, pero aínda pode ser necesario implementar un filtro de seguimento para proporcionar a selectividade requirida. O filtro de seguimento debe manter un ancho de banda relativamente fixo, aínda que a frecuencia central pode cambiar ao longo de moitas oitavas. A realización deste filtro normalmente require un gran número de compoñentes pasivos, como os indutores, que deben axustarse manualmente na fábrica para obter un rendemento adecuado. Esta demanda de compoñentes pasivos e afinación manual aumenta moito o tamaño e o custo do sintonizador. Un sintonizador típico pode medir 2.5 x 2 x 0.75 polgadas.
Non obstante, o filtro de preselección non é o único compoñente con retos de deseño. O LO do convertedor descendente tamén debe manexar un amplo rango de frecuencias. O filtro de preselección só reduce o ancho de banda do sinal de entrada. O sinal de interese aínda pode caer en calquera parte do rango de 48 a 861 MHz, e o LO debe cubrir basicamente este rango. Ademais, o LO debe presentar un baixo ruído de fase de curto alcance ou a recepción da canle DTV verase comprometida. O oscilador de circuíto integrado consegue un rango de frecuencia tan amplo que non se pode sintonizar e, ao mesmo tempo, exhibe un baixo ruído de fase empregando a típica tensión de alimentación de 3 voltios dos sistemas electrónicos actuais. Pode ser necesaria unha fonte de alimentación de ata 30 V.
Para cumprir todos estes requisitos de rendemento, a maioría dos provedores optan por conservar os deseños tradicionais de sintonizadores de TV e VCR, a pesar do seu custo e tamaño. Pero as presións do mercado comezan a forzar o cambio. Un dos elementos é a autorización da Comisión Federal de Comunicacións, é dicir, todos os televisores vendidos nos Estados Unidos comezaron a empregar sintonizadores capaces de recibir emisións de televisión dixital. Esta tarefa obriga aos provedores a cambiar a estrutura básica dos seus produtos, creando oportunidades de innovación no deseño de sintonizadores.
O crecemento da demanda para o mercado do entretemento portátil tamén promoveu cambios no deseño do sintonizador. Portátil significa dispositivos alimentados por batería ou de man e prohibe o uso de altas tensións nas implementacións de LO. Ademais, os dispositivos portátiles requiren implementacións moito máis pequenas que os sintonizadores típicos. No crecente mercado de pantallas planas / TV, o tamaño pequeno tamén é importante. Nun deseño de pantalla plana, o tamaño do afinador pode ser o factor limitante para o adelgazamento do produto.
Outra tendencia que afecta aos requirimentos do sintonizador é que os consumidores queren recibir varias canles ao mesmo tempo. Isto significa que se precisa máis dun sintonizador, o que ocupa máis espazo, o que afecta o tamaño do sistema e aumenta o custo do sintonizador para o produto final. A presión do mercado para reducir o tamaño e outras tendencias promoveron o uso de deseños de sintonizadores de silicio.
3) Eliminar a afinación manual
Hai moitos obxectivos para o deseño do sintonizador de silicio. Un dos obxectivos principais é eliminar a necesidade de axustar manualmente compoñentes externos no filtro de seguimento. Hai dous efectos no silicio. Un deles é que a eliminación da maioría dos compoñentes externos tamén elimina a súa capacidade para absorber e disipar enerxía de RF non desexada da banda de frecuencia excluída. Os sintonizadores de silicio deben empregar deseños de circuítos innovadores en LNA e mesturadores para xestionar a enerxía non desexada sen danar os transistores.
O segundo impacto é a necesidade dunha nova arquitectura de RF. Os primeiros deseños de afinadores de silicio intentaron adoptar un método de dobre conversión, que proporcionaba selectividade sen axustar manualmente compoñentes externos. A primeira conversión despraza a frecuencia do sinal de entrada cara arriba. O filtro RF SAW reduce o ancho de banda antes de convertelo a IF por segunda vez. O dispositivo de filtro representa o custo principal deste deseño.
Recentemente estase a empregar tecnoloxía de autocalibración para superar os cambios na fabricación de procesos de semicondutores. Algúns tamén eliminan a necesidade de fontes de alimentación de alta tensión para o LO e a necesidade de dispositivos RF SAW. Pola contra, só usan filtros SAW na fase IF, que teñen unha frecuencia moito menor e son dispositivos de menor custo que os filtros SAW RF.
A implementación destes deseños en silicio require unha avanzada tecnoloxía de procesos de semicondutores. Os provedores de chips normalmente só caracterizan o proceso da súa implementación VLSI dixital. Para implementar un sintonizador de silicio, o proceso debe caracterizarse en función do rendemento de RF. Ademais, o proceso debe ter un xeito de crear un indutor do valor correcto e ter unha Q suficientemente alta para a implementación de LO de baixo ruído de fase ou o deseño de filtros de RF. Agora pode usarse tal proceso.
Ademais dos procesos de semicondutores, os sintonizadores de silicio requiren un coidado deseño de chips. RF ten moitas oportunidades de interferencia radiada e conducida. Nun deseño de sintonizador de silicio dun chip, a proximidade das liñas de sinal no chip e a compartición de substratos do circuíto agravan isto. Controlar esta interferencia require un deseño que separe os circuítos críticos e inclúa patróns de blindaxe. O deseño tamén require unha coidada creación e xestión de redes de distribución de terra e enerxía no chip. Ademais, o deseño debe incluír compoñentes de filtrado on-chip e off-chip para romper a ruta do sinal de interferencia.
Todos estes problemas resolvéronse e coa chegada dos dispositivos sintonizadores de silicio, os deseñadores de produtos comezaron a facer xeitos de desfacerse do vello sintonizador. Os receptores de satélite e cable foron os primeiros en adoptar este método. Procesan sinais con aproximadamente a mesma potencia en cada canle. Esta uniformidade da canle simplifica lixeiramente o deseño do sintonizador, permitindo que os primeiros equipos de sintonizador de silicio cumpran os requisitos.
Non obstante, a recepción de transmisión terrestre debe empregar un sintonizador que poida proporcionar selectividade nunha ampla gama de niveis de potencia da canle. A posibilidade de combinar sinais fortes en canles adxacentes con canles de interese débiles impón restricións estritas á selectividade do deseño do sintonizador. Ata hai pouco, as innovadoras arquitecturas de RF e o mellorado procesamento de semicondutores de RF permitían aos sintonizadores de silicio acadar o rendemento requirido a baixo custo.
Ao eliminar a necesidade de axustes manuais, estes sintonizadores de silicio poden aumentar os rendementos de fabricación e proporcionar un rendemento máis fiable que os deseños anteriores. Cubren as necesidades dos dispositivos portátiles eliminando a necesidade de fontes de alimentación de alta tensión e permitindo implementacións compactas. Dada a influencia do mercado nestes atributos, espérase que os sintonizadores de silicio aliñan os deseños de receptores de TV con outras partes da industria electrónica.
Ravi Shenoy ([protexido por correo electrónico]) é o director analóxico e a tecnoloxía RF de LSI Logic (Milpitas, California).
Noso outro produto:
