Televisori, videoregistratori, decoder e ricevitori via cavo a banda larga hanno tutti un elemento comune: il sintonizzatore. Sebbene tutti gli altri componenti elettronici di questi dispositivi si riducano man mano che la tecnologia dei semiconduttori si riduce, le applicazioni consumer spesso utilizzano enormi "serbatoi di sintonizzazione" per ottenere questa funzione critica. Restrizioni impegnative sul design dei sintonizzatori sono la ragione per cui questa tecnologia persiste, ma le forze del mercato stanno spingendo i sintonizzatori al silicio in prima linea.
Il progettista del sintonizzatore deve superare molte sfide. Il segnale di ingresso nelle applicazioni televisive e via cavo si trova nella banda di frequenza da 48 MHz a 861 MHz e la potenza del segnale può avere un'ampia gamma dinamica. Ad esempio, nelle applicazioni televisive broadcast, il segnale da selezionare può avere canali indesiderati adiacenti la cui intensità del segnale supera 100 volte.
Un tipico design del sintonizzatore utilizza un'architettura del ricevitore a conversione singola, sebbene siano possibili anche altre architetture. La struttura di un sintonizzatore a conversione singola include un filtro di preselezione, un amplificatore a basso rumore (LNA), un convertitore in basso e un amplificatore a frequenza intermedia (IF).
1. Vincoli del design del sintonizzatore al silicio
1) Tracciamento del filtro preselezionato
Il filtro di preselezione prende l'intera banda di frequenza del segnale di frequenza e la riduce a una banda di frequenza più piccola contenente il canale di interesse. In considerazione dell'ampia gamma di frequenze del canale, ciò significa che il filtro di preselezione deve essere un filtro passabanda di tracciamento la cui frequenza centrale può variare attraverso lo spettro del segnale. Gli LNA con funzioni di controllo automatico del guadagno RF di solito seguono un filtro preselezionato.
La fase del downconverter è tradizioneionalmente un sistema eterodina. Il downconverter è progettato con la selezione del canale, che comporta la regolazione dell'oscillatore locale (LO) in modo che la differenza tra la sua frequenza e il segnale di interesse rientri nella banda passante del filtro IF. Questo stadio utilizza filtri a frequenza fissa a banda stretta e ad alte prestazioni, generalmente dispositivi a onde acustiche di superficie (SAW), selezionando ed escludendo tutte le altre opzioni. Questo è seguito da un amplificatore IF con controllo del guadagno variabile, che consente al sistema di adattare la forza del segnale selezionato alle esigenze del circuito di demodulazione e rilevamento che il sintonizzatore sta pilotando.
Considerando l'ampia gamma di frequenze e intensità del segnale del segnale di ingresso, l'utilizzo di questa architettura per generare un sintonizzatore di buone prestazioni porterà molte sfide. Uno è il filtro di preselezione. Per coprire l'intera larghezza di banda del segnale, le tipiche implementazioni di sintonizzatori TV broadcast richiedono che i filtri operino in tre diverse bande di frequenza: VHF (frequenza molto alta), da 48 a 88 MHz; VHF medio, da 174 a 216 MHz; e UHF (super alta frequenza) da 470 a 861 MHz. Un'implementazione comune consiste nell'utilizzare filtri separati, uno per ciascun filtro.
2) Funzionamento multibanda
Il filtro di preselezione seleziona la banda di frequenza operativa, ma potrebbe essere ancora necessario implementare un filtro di tracciamento per fornire la selettività richiesta. Il filtro di tracciamento deve mantenere una larghezza di banda relativamente fissa, sebbene la frequenza centrale possa cambiare su molte ottave. La realizzazione di un tale filtro richiede solitamente un gran numero di componenti passivi, come gli induttori, che devono essere tarati manualmente in fabbrica per ottenere prestazioni adeguate. Questa richiesta di componenti passivi e sintonizzazione manuale aumenta notevolmente le dimensioni e il costo dell'accordatore. Un tipico sintonizzatore può misurare 2.5 x 2 x 0.75 pollici.
Tuttavia, il filtro di preselezione non è l'unico componente con problemi di progettazione. Anche il LO nel downconverter deve gestire un'ampia gamma di frequenze. Il filtro di preselezione riduce solo la larghezza di banda del segnale di ingresso. Il segnale di interesse può ancora cadere ovunque nella gamma da 48 a 861 MHz e il LO deve sostanzialmente coprire questa gamma. Inoltre, il LO deve presentare un rumore di fase ravvicinato basso o la ricezione del canale DTV sarà compromessa. L'oscillatore del circuito integrato raggiunge una gamma di frequenze così ampia che non può essere sintonizzata e allo stesso tempo mostra un basso rumore di fase utilizzando la tipica tensione di alimentazione a 3 volt dei sistemi elettronici odierni. Potrebbe essere necessaria un'alimentazione fino a 30 V.
Per soddisfare tutti questi requisiti di prestazioni, la maggior parte dei fornitori sceglie di mantenere i tradizionali design dei sintonizzatori TV e VCR, nonostante il loro costo e le loro dimensioni. Ma le pressioni del mercato stanno cominciando a forzare il cambiamento. Uno degli elementi è l'autorizzazione della Federal Communications Commission, ovvero tutti i televisori venduti negli Stati Uniti hanno iniziato a utilizzare sintonizzatori in grado di ricevere le trasmissioni TV digitali. Questo compito costringe i fornitori a modificare la struttura di base dei loro prodotti, creando opportunità di innovazione nella progettazione del sintonizzatore.
La crescita della domanda per il mercato dell'intrattenimento portatile ha anche promosso cambiamenti nel design del sintonizzatore. Portatile significa dispositivi alimentati a batteria o palmari e vieta l'uso di alte tensioni nelle implementazioni LO. Inoltre, i dispositivi portatili richiedono implementazioni molto più piccole rispetto ai tipici sintonizzatori. Nel crescente mercato dei display/TV a schermo piatto, anche le dimensioni ridotte sono importanti. In un design a schermo piatto, la dimensione del sintonizzatore può essere il fattore limitante per l'assottigliamento del prodotto.
Un'altra tendenza che influisce sui requisiti del sintonizzatore è che i consumatori desiderano ricevere più canali contemporaneamente. Ciò significa che è necessario più di un sintonizzatore, il che occupa più spazio, il che influisce sulle dimensioni del sistema e aumenta il costo del sintonizzatore per il prodotto finale. La pressione del mercato per ridurre le dimensioni e altre tendenze hanno promosso l'uso di progetti di sintonizzatori al silicio.
3) Eliminare la sintonizzazione manuale
Ci sono molti obiettivi per la progettazione del sintonizzatore al silicio. Uno degli obiettivi principali è eliminare la necessità di regolare manualmente i componenti esterni nel filtro di tracciamento. Ci sono due effetti nel silicio. Uno è che l'eliminazione della maggior parte dei componenti esterni elimina anche la loro capacità di assorbire e dissipare l'energia RF indesiderata dalla banda di frequenza esclusa. I sintonizzatori al silicio devono utilizzare progetti di circuiti innovativi negli LNA e nei mixer per gestire l'energia indesiderata senza danneggiare i transistor.
Il secondo impatto è la necessità di una nuova architettura RF. I primi progetti di sintonizzatori al silicio hanno cercato di adottare un metodo a doppia conversione, che forniva selettività senza sintonizzare manualmente i componenti esterni. La prima conversione sposta verso l'alto la frequenza del segnale di ingresso. Il filtro RF SAW riduce la larghezza di banda prima di convertire in IF per la seconda volta. Il dispositivo di filtraggio rappresenta il costo principale di questo progetto.
Recentemente, la tecnologia di autocalibrazione viene utilizzata per superare i cambiamenti nella produzione di processo dei semiconduttori. Alcuni eliminano anche la necessità di alimentatori ad alta tensione per il LO e la necessità di dispositivi RF SAW. Invece, usano solo filtri SAW nella fase IF, che hanno una frequenza molto più bassa e sono dispositivi di costo inferiore rispetto ai filtri RF SAW.
L'implementazione di questi progetti nel silicio richiede una tecnologia avanzata di processo dei semiconduttori. I fornitori di chip di solito caratterizzano solo il processo della loro implementazione VLSI digitale. Per implementare un sintonizzatore al silicio, il processo deve essere caratterizzato in base alle prestazioni RF. Inoltre, il processo deve avere un modo per creare un induttore del valore corretto e avere un Q sufficientemente alto per l'implementazione di LO a basso rumore di fase o per la progettazione di filtri RF. Tale processo può ora essere utilizzato.
Oltre ai processi a semiconduttore, i sintonizzatori al silicio richiedono un'attenta progettazione dei chip. La radiofrequenza offre molte opportunità per le interferenze irradiate e condotte. In un progetto di sintonizzatore al silicio a chip singolo, la vicinanza delle linee di segnale su chip e la condivisione dei substrati del circuito aggravano questo problema. Il controllo di questa interferenza richiede un layout che separi i circuiti critici e includa schemi di schermatura. La progettazione richiede anche un'attenta creazione e gestione di reti di distribuzione di potenza e di terra su chip. Inoltre, il progetto deve includere componenti di filtraggio on-chip e off-chip per interrompere il percorso del segnale di interferenza.
Tutti questi problemi sono stati risolti e, con l'avvento dei dispositivi di sintonizzazione al silicio, i progettisti di prodotti hanno iniziato a trovare modi per sbarazzarsi del vecchio sintonizzatore in una lattina. I ricevitori satellitari e via cavo sono stati i primi ad adottare questo metodo. Elaborano segnali con all'incirca la stessa potenza in ogni canale. Questa uniformità di canale semplifica leggermente la progettazione del sintonizzatore, consentendo alle prime apparecchiature di sintonizzazione in silicio di soddisfare i requisiti.
Tuttavia, la ricezione delle trasmissioni terrestri deve utilizzare un sintonizzatore in grado di fornire selettività su un'ampia gamma di livelli di potenza del canale. La possibilità di combinare segnali forti in canali adiacenti con canali di interesse deboli impone rigide restrizioni alla selettività del design del sintonizzatore. Fino a poco tempo fa, le innovative architetture RF e l'elaborazione migliorata dei semiconduttori RF hanno consentito ai sintonizzatori di silicio di ottenere le prestazioni richieste a basso costo.
Eliminando la necessità di regolazioni manuali, questi sintonizzatori al silicio possono aumentare i rendimenti di produzione e fornire prestazioni più affidabili rispetto ai modelli precedenti. Soddisfano le esigenze dei dispositivi portatili eliminando la necessità di alimentatori ad alta tensione e consentendo implementazioni compatte. Data l'influenza del mercato su questi attributi, si prevede che i sintonizzatori al silicio allineeranno i progetti dei ricevitori TV con altre parti dell'industria elettronica.
Ravi Shenoy ([email protected]) è il direttore analogico e la tecnologia RF di LSI Logic (Milpitas, California).
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