Fernseher, Videorecorder, Set-Top-Boxen und Breitband-Kabelreceiver haben alle ein gemeinsames Element: den Tuner. Obwohl alle anderen elektronischen Komponenten in diesen Geräten mit der Schrumpfung der Halbleitertechnologie schrumpfen, nutzen Verbraucheranwendungen häufig riesige „Tunertanks“, um diese wichtige Funktion zu erfüllen. Anspruchsvolle Einschränkungen beim Tuner-Design sind der Grund dafür, dass diese Technologie fortbesteht, aber die Marktkräfte drängen Silizium-Tuner in den Vordergrund.
Der Tuner-Designer muss viele Herausforderungen meistern. Das Eingangssignal bei Rundfunk- und Kabelanwendungen liegt im Frequenzband von 48 MHz bis 861 MHz, und die Signalstärke kann einen großen Dynamikbereich aufweisen. Bei Rundfunk- und Fernsehanwendungen kann das auszuwählende Signal beispielsweise benachbarte unerwünschte Kanäle aufweisen, deren Signalstärke das Hundertfache übersteigt.
Ein typisches Tuner-Design verwendet eine einzelne Konvertierungsempfängerarchitektur, obwohl auch andere Architekturen möglich sind. Die Struktur eines Single-Conversion-Tuners umfasst einen Vorauswahlfilter, einen rauscharmen Verstärker (LNA), einen Abwärtswandler und einen Zwischenfrequenzverstärker (ZF).
1. Einschränkungen des Silizium-Tuner-Designs
1) Vorgewählte Filterverfolgung
Der Vorauswahlfilter nimmt das gesamte Frequenzband des Signals und reduziert es auf ein kleineres Frequenzband, das den interessierenden Kanal enthält. Angesichts des breiten Frequenzbereichs des Kanals bedeutet dies, dass der Vorselektionsfilter ein Tracking-Bandpassfilter sein muss, dessen Mittenfrequenz über das Signalspektrum variieren kann. LNAs mit Funktionen zur automatischen HF-Verstärkungsregelung folgen normalerweise einem vorgewählten Filter.
Die Downconverter-Stufe ist traditionellionell ein Heterodynsystem. Der Abwärtskonverter ist mit einer Kanalauswahl ausgestattet, bei der der lokale Oszillator (LO) so eingestellt wird, dass die Differenz zwischen seiner Frequenz und dem interessierenden Signal innerhalb des Bandpasses des ZF-Filters liegt. In dieser Phase werden Hochleistungs-Schmalbandfilter mit fester Frequenz – in der Regel SAW-Geräte (Surface Acoustic Wave) – verwendet, indem alle anderen Optionen ausgewählt und ausgeschlossen werden. Darauf folgt ein ZF-Verstärker mit variabler Verstärkungsregelung, der es dem System ermöglicht, die Stärke des ausgewählten Signals an die Anforderungen der Demodulations- und Erkennungsschaltung anzupassen, die der Tuner antreibt.
Angesichts des großen Frequenz- und Signalstärkebereichs des Eingangssignals bringt die Verwendung dieser Architektur zur Erzeugung eines leistungsstarken Tuners viele Herausforderungen mit sich. Einer davon ist der Vorauswahlfilter. Um die gesamte Signalbandbreite abzudecken, erfordern typische Implementierungen von Rundfunk-TV-Tunern Filter, die in drei verschiedenen Frequenzbändern arbeiten: VHF (sehr hohe Frequenz), 48 bis 88 MHz; mittleres UKW, 174 bis 216 MHz; und UHF (Superhochfrequenz) bei 470 bis 861 MHz. Eine übliche Implementierung besteht darin, separate Filter zu verwenden, einen für jeden Filter.
2) Multiband-Betrieb
Der Vorauswahlfilter wählt das Betriebsfrequenzband aus, es kann jedoch dennoch erforderlich sein, einen Nachlauffilter zu implementieren, um die erforderliche Selektivität bereitzustellen. Der Tracking-Filter muss eine relativ feste Bandbreite beibehalten, obwohl sich die Mittenfrequenz über viele Oktaven ändern kann. Die Realisierung eines solchen Filters erfordert normalerweise eine große Anzahl passiver Komponenten, wie z. B. Induktivitäten, die im Werk manuell abgestimmt werden müssen, um die richtige Leistung zu erzielen. Dieser Bedarf an passiven Komponenten und manueller Abstimmung erhöht die Größe und die Kosten des Tuners erheblich. Ein typischer Tuner kann 2.5 x 2 x 0.75 Zoll messen.
Allerdings ist der Vorauswahlfilter nicht die einzige Komponente mit Designherausforderungen. Auch der LO im Downconverter muss einen weiten Frequenzbereich abdecken. Der Vorselektionsfilter reduziert lediglich die Bandbreite des Eingangssignals. Das interessierende Signal kann immer noch irgendwo im Bereich von 48 bis 861 MHz liegen, und der LO muss grundsätzlich diesen Bereich abdecken. Darüber hinaus muss der LO ein geringes Phasenrauschen im Nahbereich aufweisen, da sonst der Empfang des DTV-Kanals beeinträchtigt wird. Der integrierte Oszillatorschaltkreis erreicht einen so großen Frequenzbereich, dass er nicht abgestimmt werden kann, und weist gleichzeitig bei Verwendung der typischen 3-Volt-Versorgungsspannung heutiger elektronischer Systeme ein geringes Phasenrauschen auf. Eventuell ist eine Spannungsversorgung von bis zu 30 V erforderlich.
Um all diesen Leistungsanforderungen gerecht zu werden, entscheiden sich die meisten Anbieter dafür, die traditionellen TV- und VCR-Tuner-Designs trotz ihrer Kosten und Größe beizubehalten. Doch der Druck des Marktes beginnt, Veränderungen zu erzwingen. Eines der Elemente ist die Genehmigung der Federal Communications Commission, was bedeutet, dass alle in den Vereinigten Staaten verkauften Fernseher mit Tunern ausgestattet sind, die digitale Fernsehsendungen empfangen können. Diese Aufgabe zwingt Zulieferer dazu, die Grundstruktur ihrer Produkte zu ändern, was Möglichkeiten für Innovationen im Tuner-Design schafft.
Die wachsende Nachfrage nach dem tragbaren Unterhaltungsmarkt hat auch zu Veränderungen im Tuner-Design geführt. Tragbar bedeutet batteriebetriebene oder tragbare Geräte und verbietet die Verwendung von Hochspannungen in LO-Implementierungen. Darüber hinaus erfordern tragbare Geräte viel kleinere Implementierungen als typische Tuner. Auf dem wachsenden Markt für Flachbildschirme/Fernseher ist auch die geringe Größe wichtig. Bei einem Flachbildschirmdesign kann die Größe des Tuners der begrenzende Faktor für die Produktverdünnung sein.
Ein weiterer Trend, der sich auf die Anforderungen an Tuner auswirkt, besteht darin, dass Verbraucher mehrere Kanäle gleichzeitig empfangen möchten. Dies bedeutet, dass mehr als ein Tuner erforderlich ist, was mehr Platz beansprucht, was sich auf die Systemgröße auswirkt und die Kosten des Tuners für das Endprodukt erhöht. Der Druck des Marktes, die Größe zu reduzieren, und andere Trends haben die Verwendung von Silizium-Tuner-Designs gefördert.
3) Eliminieren Sie die manuelle Abstimmung
Es gibt viele Ziele für das Design von Silizium-Tunern. Eines der Hauptziele besteht darin, die Notwendigkeit zu beseitigen, externe Komponenten im Tracking-Filter manuell anzupassen. Bei Silizium gibt es zwei Effekte. Zum einen geht durch den Wegfall der meisten externen Komponenten auch ihre Fähigkeit verloren, unerwünschte HF-Energie aus dem ausgeschlossenen Frequenzband zu absorbieren und abzuleiten. Silizium-Tuner müssen innovative Schaltungsdesigns in LNAs und Mischern verwenden, um unerwünschte Energie zu verwalten, ohne die Transistoren zu beschädigen.
Die zweite Auswirkung ist die Notwendigkeit einer neuen HF-Architektur. Frühe Silizium-Tuner-Designs versuchten, eine Doppelwandlungsmethode zu übernehmen, die eine Selektivität ermöglichte, ohne dass externe Komponenten manuell abgestimmt werden mussten. Die erste Konvertierung verschiebt die Frequenz des Eingangssignals nach oben. Der HF-SAW-Filter reduziert die Bandbreite vor der zweiten Umwandlung in ZF. Die Filtervorrichtung stellt den Hauptkostenfaktor dieser Konstruktion dar.
In jüngster Zeit wird die Selbstkalibrierungstechnologie eingesetzt, um die Veränderungen in der Halbleiterfertigung zu bewältigen. Einige machen auch Hochspannungs-Stromversorgungen für den LO und HF-SAW-Geräte überflüssig. Stattdessen verwenden sie nur SAW-Filter in der ZF-Stufe, die eine viel niedrigere Frequenz haben und kostengünstigere Geräte als HF-SAW-Filter sind.
Die Umsetzung dieser Designs in Silizium erfordert fortschrittliche Halbleiterprozesstechnologie. Chiplieferanten charakterisieren in der Regel nur den Prozess ihrer digitalen VLSI-Implementierung. Um einen Silizium-Tuner zu implementieren, muss der Prozess anhand der HF-Leistung charakterisiert werden. Darüber hinaus muss der Prozess eine Möglichkeit bieten, eine Induktivität mit dem richtigen Wert und einem ausreichend hohen Q für eine LO-Implementierung mit geringem Phasenrauschen oder ein HF-Filterdesign zu erzeugen. Ein solches Verfahren kann nun angewendet werden.
Zusätzlich zu den Halbleiterprozessen erfordern Silizium-Tuner ein sorgfältiges Chipdesign. Bei HF gibt es viele Möglichkeiten für abgestrahlte und leitungsgebundene Störungen. Bei einem Single-Chip-Silizium-Tuner-Design wird dies durch die Nähe der On-Chip-Signalleitungen und die gemeinsame Nutzung von Schaltkreissubstraten noch verschärft. Um diese Störungen zu kontrollieren, ist ein Layout erforderlich, das kritische Schaltkreise trennt und Abschirmmuster enthält. Das Design erfordert außerdem eine sorgfältige Erstellung und Verwaltung von On-Chip-Strom- und Bodenverteilungsnetzen. Darüber hinaus muss das Design On-Chip- und Off-Chip-Filterkomponenten umfassen, um den Interferenzsignalpfad zu unterbrechen.
All diese Probleme wurden gelöst, und mit dem Aufkommen von Silizium-Tuner-Geräten haben Produktdesigner begonnen, Wege zu finden, um den alten Tuner in der Dose loszuwerden. Satelliten- und Kabelreceiver waren die ersten, die diese Methode nutzten. Sie verarbeiten Signale mit etwa gleicher Leistung in jedem Kanal. Diese Kanalgleichmäßigkeit vereinfacht das Tuner-Design geringfügig, sodass frühere Silizium-Tuner-Geräte die Anforderungen erfüllen können.
Für den terrestrischen Rundfunkempfang muss jedoch ein Tuner verwendet werden, der eine Selektivität über einen weiten Bereich von Kanalleistungspegeln bieten kann. Die Möglichkeit, starke Signale in benachbarten Kanälen mit schwachen interessierenden Kanälen zu kombinieren, erlegt der Selektivität des Tunerdesigns strenge Beschränkungen auf. Dank innovativer HF-Architekturen und verbesserter HF-Halbleiterverarbeitung konnten Silizium-Tuner bis vor Kurzem die erforderliche Leistung zu geringen Kosten erzielen.
Da keine manuellen Anpassungen mehr erforderlich sind, können diese Silizium-Tuner die Produktionsausbeute steigern und eine zuverlässigere Leistung als ältere Designs bieten. Sie erfüllen die Anforderungen tragbarer Geräte, indem sie Hochspannungsnetzteile überflüssig machen und kompakte Implementierungen ermöglichen. Angesichts des Einflusses des Marktes auf diese Eigenschaften wird erwartet, dass Silizium-Tuner die Designs von Fernsehempfängern an andere Teile der Elektronikindustrie anpassen.
Ravi Shenoy ([E-Mail geschützt] ) ist der Analogdirektor und die HF-Technologie von LSI Logic (Milpitas, Kalifornien).
Unsere anderen Produkt:
