Els televisors, les gravadores de vídeo, els descodificadors i els receptors de cable de banda ampla tenen un element comú: el sintonitzador. Tot i que la resta de components electrònics d’aquests dispositius es redueixen a mesura que la tecnologia de semiconductors es redueix, les aplicacions de consum sovint utilitzen enormes “tancs sintonitzadors” per aconseguir aquesta funció crítica. Les restriccions desafiadores en el disseny de sintonitzadors són la raó per la qual aquesta tecnologia persisteix, però les forces del mercat estan impulsant els sintonitzadors de silici a l'avantguarda.
El dissenyador de sintonitzadors ha de superar molts reptes. El senyal d'entrada en aplicacions de televisió i cable radiodifusió es troba en la banda de freqüència de 48 MHz a 861 MHz, i la intensitat del senyal pot tenir un ampli rang dinàmic. Per exemple, en aplicacions de televisió de difusió, el senyal que cal seleccionar pot tenir canals adjacents no desitjats la intensitat del qual del senyal sigui superior a 100 vegades.
Un disseny típic de sintonitzador utilitza una arquitectura de receptor de conversió única, tot i que també són possibles altres arquitectures. L’estructura d’un sintonitzador de conversió únic inclou un filtre de preselecció, un amplificador de baix soroll (LNA), un convertidor descendent i un amplificador de freqüència intermèdia (IF).
1. Restriccions del disseny de sintonitzadors de silici
1) Seguiment del filtre preseleccionat
El filtre de preselecció pren la banda de freqüència del senyal de freqüència completa i la redueix a una banda de freqüència més petita que conté el canal d’interès. Tenint en compte l’ampli rang de freqüències del canal, això significa que el filtre de preselecció ha de ser un filtre de seguiment de banda passant la freqüència central del qual pugui variar a través de l’espectre del senyal. Els LNA amb funcions de control de guany automàtic de RF solen seguir un filtre preseleccionat.
L'etapa de convertidor descendent és traditun sistema heterodí. El convertidor descendent està dissenyat amb selecció de canals, que consisteix a ajustar l’oscil·lador local (LO) de manera que la diferència entre la seva freqüència i el senyal d’interès caigui dins del pas de banda del filtre IF. En aquesta etapa s’utilitzen filtres de freqüència fixa i banda estreta d’alt rendiment (normalment dispositius d’ona acústica de superfície (SAW)), seleccionant i excloent totes les altres opcions. Segueix un amplificador IF amb control de guany variable, que permet al sistema fer coincidir la intensitat del senyal seleccionat amb les necessitats del circuit de demodulació i detecció que condueix el sintonitzador.
Tenint en compte l’ampli rang de freqüència i intensitat del senyal del senyal d’entrada, utilitzar aquesta arquitectura per generar un sintonitzador de bon rendiment comportarà molts desafiaments. Un és el filtre de preselecció. Per tal de cobrir l’amplada de banda del senyal, les implementacions típiques de sintonitzadors de televisió de difusió requereixen filtres per funcionar en tres bandes de freqüència diferents: VHF (freqüència molt alta), de 48 a 88 MHz; VHF mitjà, de 174 a 216 MHz; i UHF (superalta freqüència) a 470 a 861 MHz. Una implementació habitual és utilitzar filtres separats, un per a cada filtre.
2) Funcionament de múltiples bandes
El filtre de preselecció selecciona la banda de freqüència de funcionament, però pot ser que sigui necessari implementar un filtre de seguiment per proporcionar la selectivitat necessària. El filtre de seguiment ha de mantenir un ample de banda relativament fix, tot i que la freqüència central pot canviar durant moltes octaves. La realització d’aquest filtre sol requerir un gran nombre de components passius, com ara els inductors, que s’han de sintonitzar manualment a la fàbrica per obtenir un rendiment adequat. Aquesta demanda de components passius i sintonització manual augmenta considerablement la mida i el cost del sintonitzador. Un sintonitzador típic pot mesurar 2.5 x 2 x 0.75 polzades.
Tot i això, el filtre de preselecció no és l’únic component amb problemes de disseny. El LO del convertidor descendent també ha de gestionar un ampli rang de freqüències. El filtre de preselecció només redueix l’amplada de banda del senyal d’entrada. El senyal d’interès encara pot caure a qualsevol lloc del rang de 48 a 861 MHz, i l’LO ha de cobrir bàsicament aquest rang. A més, la LO ha de mostrar un soroll de fase de baix abast o la recepció del canal DTV es veurà compromesa. L'oscil·lador de circuit integrat aconsegueix un rang de freqüències tan ampli que no es pot sintonitzar i, al mateix temps, presenta un baix soroll de fase mitjançant la típica tensió d'alimentació de 3 volts dels sistemes electrònics actuals. Pot ser necessària una font d'alimentació de fins a 30 V.
Per complir tots aquests requisits de rendiment, la majoria dels proveïdors opten per conservar els dissenys tradicionals de sintonitzadors de TV i VCR, malgrat el seu cost i mida. Però les pressions del mercat comencen a forçar el canvi. Un dels elements és l’autorització de la Federal Communications Commission, és a dir, tots els televisors venuts als Estats Units han començat a utilitzar sintonitzadors capaços de rebre retransmissions de TV digital. Aquesta tasca obliga els proveïdors a canviar l'estructura bàsica dels seus productes, creant oportunitats d'innovació en el disseny de sintonitzadors.
El creixement de la demanda del mercat de l’entreteniment portàtil també ha promogut canvis en el disseny dels sintonitzadors. Portàtil significa dispositius portàtils o amb bateria i prohibeix l’ús d’alta tensió en implementacions de LO. A més, els dispositius portàtils requereixen implementacions molt més petites que els sintonitzadors típics. En el creixent mercat de televisió i pantalla plana, també és important la mida petita. En un disseny de panell pla, la mida del sintonitzador pot ser el factor limitant per a l’aprimament del producte.
Una altra tendència que afecta els requisits del sintonitzador és que els consumidors volen rebre diversos canals alhora. Això significa que es necessita més d'un sintonitzador, que ocupa més espai, cosa que afecta la mida del sistema i augmenta el cost del sintonitzador per al producte final. La pressió del mercat per reduir la mida i altres tendències han promogut l’ús de dissenys de sintonitzadors de silici.
3) Elimineu l’afinació manual
Hi ha molts objectius per al disseny de sintonitzadors de silici. Un dels objectius principals és eliminar la necessitat d’ajustar manualment components externs al filtre de seguiment. Hi ha dos efectes en el silici. Una d'elles és que l'eliminació de la majoria dels components externs també elimina la seva capacitat per absorbir i dissipar l'energia de RF no desitjada de la banda de freqüència exclosa. Els sintonitzadors de silici han d’utilitzar dissenys de circuits innovadors en LNA i mescladors per gestionar l’energia no desitjada sense danyar els transistors.
El segon impacte és la necessitat d’una nova arquitectura de RF. Els primers dissenys de sintonitzadors de silici van intentar adoptar un mètode de doble conversió, que proporcionava selectivitat sense ajustar manualment components externs. La primera conversió fa canviar la freqüència del senyal d’entrada cap amunt. El filtre RF SAW redueix l’amplada de banda abans de convertir-lo a IF per segona vegada. El dispositiu de filtre representa el principal cost d’aquest disseny.
Recentment, s’està utilitzant la tecnologia d’autocalibratge per superar els canvis en la fabricació de processos de semiconductors. Alguns també eliminen la necessitat de fonts d’alimentació d’alta tensió per al LO i la necessitat de dispositius RF SAW. En canvi, només fan servir filtres SAW a l’etapa IF, que tenen una freqüència molt inferior i són dispositius de menor cost que els filtres SAW RF.
La implementació d’aquests dissenys en silici requereix una tecnologia avançada de processos de semiconductors. Els proveïdors de xips solen caracteritzar el procés d’implementació de VLSI digital. Per implementar un sintonitzador de silici, el procés s’ha de caracteritzar en funció del rendiment de RF. A més, el procés ha de tenir una manera de crear un inductor del valor correcte i tenir una Q prou alta per a la implementació de LO de soroll de fase baix o el disseny de filtres de RF. Ara es pot utilitzar aquest procés.
A més dels processos de semiconductors, els sintonitzadors de silici requereixen un acurat disseny de xips. RF té moltes oportunitats d’interferències radiades i conduïdes. En un disseny de sintonitzador de silici d’un xip, la proximitat de les línies de senyal del xip i la compartició de substrats del circuit ho agreujen. El control d'aquesta interferència requereix un disseny que separi els circuits crítics i inclogui patrons de protecció. El disseny també requereix una creació i gestió acurades de xarxes de distribució de terra i d’energia al xip. A més, el disseny ha d’incloure components de filtratge on-chip i off-chip per trencar el camí del senyal d’interferència.
Tots aquests problemes s’han resolt i, amb l’aparició dels dispositius sintonitzadors de silici, els dissenyadors de productes han començat a fer maneres de desfer-se del vell sintonitzador. Els receptors de cable i satèl·lit van ser els primers a adoptar aquest mètode. Processen senyals amb aproximadament la mateixa potència a cada canal. Aquesta uniformitat del canal simplifica lleugerament el disseny del sintonitzador, cosa que permet als primers equips de sintonitzador de silici complir els requisits.
No obstant això, la recepció de difusió terrestre ha d’utilitzar un sintonitzador que pugui proporcionar selectivitat en un ampli ventall de nivells de potència del canal. La possibilitat de combinar senyals forts en canals adjacents amb canals d’interès febles imposa restriccions estrictes a la selectivitat del disseny del sintonitzador. Fins fa poc, les innovadores arquitectures de RF i la millora del processament de semiconductors de RF permetien als sintonitzadors de silici assolir el rendiment requerit a baix cost.
En eliminar la necessitat d’ajustos manuals, aquests sintonitzadors de silici poden augmentar els rendiments de fabricació i proporcionar un rendiment més fiable que els dissenys anteriors. Compleixen les necessitats dels dispositius portàtils eliminant la necessitat de subministraments d’alimentació d’alta tensió i permetent implementacions compactes. Donada la influència del mercat en aquests atributs, s’espera que els sintonitzadors de silici alinearan els dissenys de receptors de TV amb altres parts de la indústria electrònica.
Ravi Shenoy ([protegit per correu electrònic]) és el director analògic i la tecnologia de RF de LSI Logic (Milpitas, Califòrnia).
El nostre altre producte:
