Televizyonlar, video kaydediciler, set üstü kutular ve geniş bant kablo alıcılarının hepsinin ortak bir unsuru vardır: tuner. Bu cihazlardaki diğer tüm elektronik bileşenler yarı iletken teknolojisi küçüldükçe küçülse de, tüketici uygulamaları bu kritik işlevi gerçekleştirmek için genellikle büyük "tuner tankları" kullanır. Bu teknolojinin devam etmesinin nedeni tuner tasarımındaki zorlu kısıtlamalardır, ancak piyasa güçleri silikon tunerleri ön plana çıkarıyor.
Tuner tasarımcısı birçok zorluğun üstesinden gelmelidir. Televizyon yayını ve kablo uygulamalarında giriş sinyali 48 MHz ila 861 MHz frekans bandındadır ve sinyal gücü geniş bir dinamik aralığa sahip olabilir. Örneğin, televizyon yayını uygulamalarında, seçilecek sinyal, sinyal gücü 100 katı aşan bitişik istenmeyen kanallara sahip olabilir.
Tipik bir tuner tasarımı, diğer mimariler de mümkün olsa da, tek bir dönüşüm alıcı mimarisi kullanır. Tek bir dönüştürme tunerinin yapısı, bir ön seçim filtresi, bir düşük gürültülü amplifikatör (LNA), bir aşağı dönüştürücü ve bir ara frekans (IF) amplifikatörü içerir.
1. Silikon tuner tasarımının kısıtlamaları
1) Önceden seçilmiş filtre takibi
Ön seçim filtresi, tam frekans sinyali frekans bandını alır ve ilgilenilen kanalı içeren daha küçük bir frekans bandına indirger. Kanalın geniş frekans aralığı göz önüne alındığında, bu, ön seçim filtresinin, merkez frekansı sinyal spektrumu boyunca değişebilen bir izleme bant geçiren filtre olması gerektiği anlamına gelir. RF otomatik kazanç kontrol fonksiyonlarına sahip LNA'lar genellikle önceden seçilmiş bir filtreyi takip eder.
Aşağı dönüştürücü aşaması gelenektiriyonik olarak bir heterodin sistemi. Aşağı dönüştürücü, yerel osilatörün (LO) ayarlanmasını içeren kanal seçimi ile tasarlanmıştır, böylece frekansı ve ilgilenilen sinyal arasındaki fark IF filtresinin bant geçişi içine düşer. Bu aşama, diğer tüm seçenekleri seçip hariç tutarak yüksek performanslı, dar bantlı, sabit frekanslı filtreler (genellikle yüzey akustik dalga (SAW) cihazları) kullanır. Bunu, sistemin seçilen sinyalin gücünü, tunerin sürdüğü demodülasyon ve algılama devresinin ihtiyaçlarıyla eşleştirmesini sağlayan, değişken kazanç kontrollü bir IF amplifikatörü takip eder.
Giriş sinyalinin geniş frekans ve sinyal gücü aralığı göz önüne alındığında, iyi performanslı bir tuner oluşturmak için bu mimariyi kullanmak birçok zorluğu beraberinde getirecektir. Bunlardan biri ön seçim filtresidir. Tam sinyal bant genişliğini kapsamak için, tipik yayın TV alıcısı uygulamaları, filtrelerin üç farklı frekans bandında çalışmasını gerektirir: VHF (çok yüksek frekans), 48 ila 88 MHz; orta VHF, 174 ila 216 MHz; ve 470 ila 861 MHz'de UHF (süper Yüksek frekans). Yaygın bir uygulama, her filtre için bir tane olmak üzere ayrı filtreler kullanmaktır.
2) Çok bantlı çalışma
Ön seçim filtresi, çalışma frekansı bandını seçer, ancak gerekli seçiciliği sağlamak için yine de bir izleme filtresi uygulamak gerekebilir. Merkez frekansı birçok oktav üzerinde değişebilse de, izleme filtresi nispeten sabit bir bant genişliği sağlamalıdır. Böyle bir filtrenin gerçekleştirilmesi genellikle, uygun performansı elde etmek için fabrikada manuel olarak ayarlanması gereken indüktörler gibi çok sayıda pasif bileşen gerektirir. Pasif bileşenlere ve manuel ayara yönelik bu talep, tunerin boyutunu ve maliyetini büyük ölçüde artırır. Tipik bir tuner 2.5 x 2 x 0.75 inç ölçebilir.
Ancak, ön seçim filtresi, tasarım zorlukları olan tek bileşen değildir. Aşağı dönüştürücüdeki LO ayrıca geniş bir frekans aralığını idare etmelidir. Ön seçim filtresi yalnızca giriş sinyalinin bant genişliğini azaltır. İlgilenilen sinyal yine de 48 ila 861 MHz aralığında herhangi bir yere düşebilir ve LO temelde bu aralığı kapsamalıdır. Ek olarak, LO düşük yakın mesafeli faz gürültüsü sergilemelidir, aksi takdirde DTV kanal alımı tehlikeye girer. Entegre devre osilatörü, ayarlanamayacak kadar geniş bir frekans aralığına ulaşır ve aynı zamanda günümüz elektronik sistemlerinin tipik 3 voltluk güç kaynağı gerilimini kullanarak düşük faz gürültüsü sergiler. 30 V'a kadar bir güç kaynağı gerekli olabilir.
Tüm bu performans gereksinimlerini karşılamak için çoğu tedarikçi, maliyetlerine ve boyutlarına rağmen geleneksel TV ve VCR tuner tasarımlarını korumayı tercih ediyor. Ancak piyasa baskıları değişimi zorlamaya başlıyor. Unsurlardan biri Federal İletişim Komisyonu'nun yetkisidir, yani Amerika Birleşik Devletleri'nde satılan tüm TV'ler, dijital TV yayınlarını alabilen tunerleri kullanmaya başlamıştır. Bu görev, tedarikçileri ürünlerinin temel yapısını değiştirmeye zorlayarak tuner tasarımında yenilik fırsatları yaratır.
Taşınabilir eğlence pazarına olan talepteki büyüme, tuner tasarımındaki değişiklikleri de destekledi. Taşınabilir, pille çalışan veya elde taşınan cihazlar anlamına gelir ve LO uygulamalarında yüksek voltaj kullanımını yasaklar. Ek olarak, taşınabilir cihazlar, tipik tunerlerden çok daha küçük uygulamalar gerektirir. Büyüyen düz panel ekran/TV pazarında küçük boyut da önemlidir. Düz panel tasarımında, tunerin boyutu, ürün inceltme için sınırlayıcı faktör olabilir.
Tuner gereksinimlerini etkileyen bir diğer eğilim, tüketicilerin aynı anda birden fazla kanal almak istemesidir. Bu, daha fazla yer kaplayan, sistem boyutunu etkileyen ve nihai ürün için tuner maliyetini artıran birden fazla tuner gerektiği anlamına gelir. Boyutu küçültmek için piyasa baskısı ve diğer eğilimler, silikon tuner tasarımlarının kullanımını teşvik etti.
3) Manuel ayarlamayı ortadan kaldırın
Silikon tuner tasarımı için birçok amaç vardır. Ana hedeflerden biri, izleme filtresindeki harici bileşenleri manuel olarak ayarlama ihtiyacını ortadan kaldırmaktır. Silikonda iki etki vardır. Birincisi, çoğu harici bileşenin ortadan kaldırılması, bunların, hariç tutulan frekans bandından istenmeyen RF enerjisini emme ve dağıtma yeteneklerini de ortadan kaldırmasıdır. Silikon tunerler, istenmeyen enerjiyi transistörlere zarar vermeden yönetmek için LNA'larda ve mikserlerde yenilikçi devre tasarımları kullanmalıdır.
İkinci etki, yeni bir RF mimarisine duyulan ihtiyaçtır. Erken silikon tuner tasarımları, harici bileşenleri manuel olarak ayarlamadan seçicilik sağlayan bir çift dönüştürme yöntemini benimsemeye çalıştı. İlk dönüşüm, giriş sinyalinin frekansını yukarı kaydırır. RF SAW filtresi, ikinci kez IF'ye dönüştürmeden önce bant genişliğini azaltır. Filtre cihazı, bu tasarımın ana maliyetini temsil eder.
Son zamanlarda, yarı iletken proses üretimindeki değişikliklerin üstesinden gelmek için kendi kendine kalibrasyon teknolojisi kullanılmaktadır. Bazıları ayrıca LO için yüksek voltajlı güç kaynaklarına olan ihtiyacı ve RF SAW cihazlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Bunun yerine, IF aşamasında yalnızca RF SAW filtrelerinden çok daha düşük frekansa sahip ve daha düşük maliyetli cihazlar olan SAW filtrelerini kullanırlar.
Bu tasarımları silikonda uygulamak, gelişmiş yarı iletken proses teknolojisi gerektirir. Çip tedarikçileri genellikle yalnızca dijital VLSI uygulama sürecini karakterize eder. Bir silikon tuner uygulamak için süreç, RF performansına göre karakterize edilmelidir. Ek olarak, prosesin doğru değerde bir indüktör oluşturacak bir yolu olmalı ve düşük faz gürültülü LO uygulaması veya RF filtre tasarımı için yeterince yüksek Q'ya sahip olmalıdır. Böyle bir işlem artık kullanılabilir.
Yarı iletken işlemlere ek olarak, silikon ayarlayıcılar dikkatli çip tasarımı gerektirir. RF, yayılan ve iletilen girişim için birçok fırsata sahiptir. Tek çipli silikon tuner tasarımında, çip üzerindeki sinyal hatlarının yakınlığı ve devre substratlarının paylaşımı bunu şiddetlendirir. Bu paraziti kontrol etmek, kritik devreleri ayıran ve ekranlama desenleri içeren bir düzen gerektirir. Tasarım ayrıca, çip üzerinde güç ve yer dağıtım ağlarının dikkatli bir şekilde oluşturulmasını ve yönetilmesini gerektirir. Ek olarak, tasarım, girişim sinyal yolunu kırmak için çip üstü ve çip dışı filtreleme bileşenlerini içermelidir.
Tüm bu problemler çözüldü ve silikon tuner cihazlarının ortaya çıkmasıyla birlikte, ürün tasarımcıları eski tuner-in-a-can'dan kurtulmanın yollarını bulmaya başladılar. Uydu ve kablo alıcıları bu yöntemi ilk benimseyen kişilerdi. Her kanalda aşağı yukarı aynı güce sahip sinyalleri işlerler. Bu kanal tekdüzeliği, tuner tasarımını biraz basitleştirerek, erken silikon tuner ekipmanının gereksinimleri karşılamasını sağlar.
Ancak, karasal yayın alımı, çok çeşitli kanal güç seviyelerinde seçicilik sağlayabilen bir tuner kullanmalıdır. Bitişik kanallardaki güçlü sinyallerin ilgili zayıf kanallarla birleştirilmesi olasılığı, tuner tasarımının seçiciliği üzerinde katı kısıtlamalar getirir. Yakın zamana kadar, yenilikçi RF mimarileri ve geliştirilmiş RF yarı iletken işleme, silikon tunerlerin gerekli performansı düşük maliyetle elde etmesine izin verdi.
Bu silikon ayarlayıcılar, manuel ayarlama ihtiyacını ortadan kaldırarak üretim verimini artırabilir ve eski tasarımlardan daha güvenilir performans sağlayabilir. Yüksek voltajlı güç kaynaklarına olan ihtiyacı ortadan kaldırarak ve kompakt uygulamalara izin vererek taşınabilir cihazların ihtiyaçlarını karşılar. Pazarın bu nitelikler üzerindeki etkisi göz önüne alındığında, silikon tunerlerin TV alıcı tasarımlarını elektronik endüstrisinin diğer bölümleriyle uyumlu hale getirmesi bekleniyor.
Ravi Şenoy ([e-posta korumalı]), LSI Logic'in (Milpitas, California) analog direktörü ve RF teknolojisidir.
Bizim diğer ürün:
