تلویزیون ها ، دستگاه های ضبط ویدئو ، جعبه تنظیمات بالا و گیرنده های کابل پهن باند همه یک عنصر مشترک دارند: تیونر. اگرچه تمام قطعات الکترونیکی دیگر در این دستگاه ها با کوچک شدن فناوری نیمه هادی کوچک می شوند ، اما برنامه های کاربردی مصرف کنندگان اغلب از "مخازن تیونر" عظیمی برای دستیابی به این عملکرد مهم استفاده می کنند. محدودیت های چالش برانگیز در طراحی تیونر دلیل تداوم این فناوری است ، اما نیروهای بازار تیونرهای سیلیکونی را در خط مقدم قرار می دهند.
طراح تیونر باید بر بسیاری از چالش ها غلبه کند. سیگنال ورودی در برنامه های تلویزیونی و کابلی پخش شده در محدوده فرکانسی 48 مگاهرتز تا 861 مگاهرتز قرار دارد و قدرت سیگنال ممکن است محدوده دینامیکی وسیعی داشته باشد. به عنوان مثال ، در برنامه های تلویزیونی پخش شده ، سیگنالی که باید انتخاب شود ممکن است دارای کانال های نامطلوب مجاور باشد که قدرت سیگنال آنها بیش از 100 برابر است.
یک طراحی تیونر معمولی از یک معماری گیرنده تبدیل واحد استفاده می کند ، اگرچه معماری های دیگر نیز امکان پذیر است. ساختار یک تیونر تبدیل واحد شامل یک فیلتر از پیش انتخاب شده ، یک تقویت کننده کم سر و صدا (LNA) ، یک مبدل پایین و یک تقویت کننده فرکانس متوسط (IF) است.
1. محدودیت های طراحی تیونر سیلیکون
1) ردیابی فیلتر از پیش انتخاب شده
فیلتر پیش انتخاب ، باند فرکانسی سیگنال فرکانس کامل را گرفته و آن را به یک باند فرکانسی کوچکتر حاوی کانال مورد نظر کاهش می دهد. با توجه به محدوده فرکانسی وسیع کانال ، این بدان معناست که فیلتر پیش انتخاب باید یک فیلتر باند ردیابی باشد که فرکانس مرکز آن می تواند در طیف سیگنال متفاوت باشد. LNA ها با عملکردهای کنترل دستیابی خودکار RF معمولاً از یک فیلتر از پیش انتخاب شده پیروی می کنند.
مرحله تبدیل نزولی سنتی استاز نظر سیستم هترودین مبدل نزولی با انتخاب کانال طراحی شده است که شامل تنظیم نوسان ساز محلی (LO) به گونه ای است که تفاوت بین فرکانس آن و سیگنال مورد نظر در محدوده باند فیلتر IF قرار گیرد. در این مرحله از فیلترهای با کارایی بالا ، باند باریک و فرکانس ثابت-معمولاً دستگاههای موج صوتی سطحی (SAW)-با انتخاب و حذف سایر گزینه ها استفاده می شود. به دنبال آن یک تقویت کننده IF با کنترل افزایش متغیر ، به سیستم اجازه می دهد تا قدرت سیگنال انتخاب شده را با نیازهای مدولار و تشخیص مدار که تیونر در حال حرکت است مطابقت دهد.
با توجه به فرکانس گسترده و محدوده قدرت سیگنال سیگنال ورودی ، استفاده از این معماری برای تولید یک تیونر با عملکرد خوب ، چالش های زیادی را به همراه خواهد داشت. یکی فیلتر پیش انتخاب است. برای پوشش دادن پهنای باند سیگنال کامل ، اجرای تیونر پخش تلویزیونی معمولی به فیلترهایی نیاز دارد که در سه باند فرکانسی مختلف کار کنند: VHF (فرکانس بسیار بالا) ، 48 تا 88 مگاهرتز. VHF متوسط ، 174 تا 216 مگاهرتز ؛ و UHF (فرکانس فوق العاده بالا) در 470 تا 861 مگاهرتز. یک روش معمول استفاده از فیلترهای جداگانه ، یکی برای هر فیلتر است.
2) عملکرد چند باند
فیلتر پیش انتخاب ، باند فرکانس عملکرد را انتخاب می کند ، اما ممکن است هنوز لازم باشد که فیلتر ردیابی را برای ارائه انتخاب پذیری مورد نیاز پیاده سازی کنید. فیلتر ردیابی باید پهنای باند نسبتاً ثابتی را حفظ کند ، اگرچه فرکانس مرکز در بسیاری از اکتاوها می تواند تغییر کند. تحقق چنین فیلتری معمولاً به تعداد زیادی از اجزای غیرفعال مانند سلف ها نیاز دارد که برای دستیابی به عملکرد مناسب باید به صورت دستی در کارخانه تنظیم شوند. این تقاضا برای اجزای غیرفعال و تنظیم دستی ، اندازه و هزینه تیونر را تا حد زیادی افزایش می دهد. یک تیونر معمولی می تواند 2.5 2 0.75 XNUMX. XNUMX اینچ اندازه داشته باشد.
با این حال ، فیلتر پیش انتخاب تنها جزء با چالش های طراحی نیست. LO در مبدل پایین نیز باید محدوده فرکانسی وسیعی را اداره کند. فیلتر پیش انتخاب فقط پهنای باند سیگنال ورودی را کاهش می دهد. ممکن است سیگنال مورد علاقه همچنان در محدوده 48 تا 861 مگاهرتز قرار گیرد و LO اساساً باید این محدوده را پوشش دهد. علاوه بر این ، LO باید نویز فاز کم برد نزدیک نشان دهد وگرنه دریافت کانال DTV به خطر می افتد. نوسان ساز مدار مجتمع به چنین دامنه فرکانسی وسیعی دست می یابد که نمی توان آن را تنظیم کرد و در عین حال با استفاده از ولتاژ منبع تغذیه معمولی 3 ولت سیستم های الکترونیکی امروزی ، نویز فاز پایینی را نشان می دهد. منبع تغذیه حداکثر تا 30 ولت ممکن است لازم باشد.
برای برآوردن همه این الزامات عملکرد ، اکثر تأمین کنندگان با وجود هزینه و اندازه ، طرح های سنتی تیونر تلویزیون و VCR را انتخاب می کنند. اما فشارهای بازار شروع به تغییر می کند. یکی از عناصر ، مجوز کمیسیون ارتباطات فدرال است ، یعنی همه تلویزیون های فروخته شده در ایالات متحده شروع به استفاده از تیونرهایی کرده اند که قادر به دریافت پخش تلویزیونی دیجیتال هستند. این وظیفه تامین کنندگان را مجبور می کند تا ساختار اساسی محصولات خود را تغییر دهند و فرصت هایی برای نوآوری در طراحی تیونر ایجاد کنند.
افزایش تقاضا برای بازار سرگرمی های قابل حمل نیز باعث تغییر در طراحی تیونر شده است. قابل حمل به معنای دستگاه های باتری یا دستی است و استفاده از ولتاژهای بالا در برنامه های LO را ممنوع می کند. علاوه بر این ، دستگاه های قابل حمل به پیاده سازی های بسیار کوچکتر از تیونرهای معمولی نیاز دارند. در بازار رو به رشد صفحه نمایش تخت/تلویزیون ، اندازه کوچک نیز مهم است. در طراحی صفحه تخت ، اندازه تیونر ممکن است عامل محدود کننده برای نازک شدن محصول باشد.
روند دیگری که بر نیازهای تنظیم کننده تأثیر می گذارد این است که مصرف کنندگان می خواهند همزمان چندین کانال را دریافت کنند. این بدان معناست که بیش از یک تیونر مورد نیاز است که فضای بیشتری را اشغال می کند ، که بر اندازه سیستم تأثیر می گذارد و هزینه تیونر را برای محصول نهایی افزایش می دهد. فشار بازار برای کاهش اندازه و سایر روندها استفاده از طرح های تیونر سیلیکون را افزایش داده است.
3) تنظیمات دستی را حذف کنید
اهداف زیادی برای طراحی تیونر سیلیکون وجود دارد. یکی از اهداف اصلی حذف نیاز به تنظیم دستی اجزای خارجی در فیلتر ردیابی است. سیلیکون دو اثر دارد. یکی این است که حذف اکثر اجزای خارجی توانایی آنها را در جذب و پخش انرژی RF ناخواسته از باند فرکانسی حذف شده از بین می برد. تیونرهای سیلیکونی باید از مدارهای خلاقانه در LNA ها و میکسرها برای مدیریت انرژی ناخواسته بدون آسیب رساندن به ترانزیستورها استفاده کنند.
تاثیر دوم نیاز به معماری RF جدید است. در طرح های اولیه تیونر سیلیکون سعی شد از روش تبدیل دوگانه استفاده شود که بدون تنظیم دستی اجزای خارجی ، انتخاب پذیری را ارائه می داد. اولین تبدیل فرکانس سیگنال ورودی را به سمت بالا تغییر می دهد. فیلتر RF SAW پهنای باند را قبل از تبدیل به IF برای بار دوم کاهش می دهد. دستگاه فیلتر نشان دهنده هزینه اصلی این طرح است.
اخیراً از فناوری خود کالیبراسیون برای غلبه بر تغییرات در تولید فرآیند نیمه هادی استفاده می شود. برخی نیز نیاز به منبع تغذیه ولتاژ بالا برای LO و نیاز به دستگاه های RF SAW را برطرف می کنند. در عوض ، آنها فقط از فیلترهای SAW در مرحله IF استفاده می کنند ، که فرکانس بسیار کمتری دارند و دستگاه های کم هزینه تری نسبت به فیلترهای RF SAW هستند.
پیاده سازی این طرح ها در سیلیکون نیاز به فناوری پیشرفته فرآیند نیمه هادی دارد. معمولاً تأمین کنندگان تراشه تنها فرایند پیاده سازی VLSI دیجیتالی خود را مشخص می کنند. برای پیاده سازی تیونر سیلیکون ، این فرایند باید بر اساس عملکرد RF مشخص شود. علاوه بر این ، این فرآیند باید راهی برای ایجاد یک سلف با مقدار صحیح داشته باشد و دارای Q به اندازه کافی بالا برای اجرای نویز کم فاز LO یا طراحی فیلتر RF باشد. اکنون می توان از چنین روندی استفاده کرد.
تیونرهای سیلیکونی علاوه بر فرایندهای نیمه هادی ، نیاز به طراحی دقیق تراشه دارند. RF فرصتهای زیادی برای تداخل تابشی و انجام شده دارد. در طراحی تیونر سیلیکون تک تراشه ، مجاورت خطوط سیگنال روی تراشه و به اشتراک گذاری بسترهای مدار ، این امر را تشدید می کند. کنترل این تداخل مستلزم چیدمانی است که مدارهای بحرانی را جدا کرده و شامل الگوهای محافظتی باشد. این طراحی همچنین مستلزم ایجاد و مدیریت دقیق شبکه های توزیع برق و زمینی روی تراشه است. علاوه بر این ، طراحی باید شامل قطعات فیلتر روی تراشه و خارج از تراشه باشد تا مسیر سیگنال تداخل را بشکند.
همه این مشکلات حل شده است و با ظهور دستگاه های تنظیم کننده سیلیکون ، طراحان محصولات شروع به یافتن راه هایی برای خلاص شدن از تیونر قدیمی در قوطی کرده اند. گیرنده های ماهواره ای و کابلی اولین کسانی بودند که از این روش استفاده کردند. آنها سیگنال هایی با قدرت تقریباً یکسان در هر کانال پردازش می کنند. این یکنواختی کانال طراحی تیونر را کمی ساده کرده و تجهیزات اولیه تیونر سیلیکون را قادر می سازد تا الزامات را برآورده کنند.
با این حال ، دریافت پخش زمینی باید از تیونری استفاده کند که بتواند در طیف وسیعی از سطوح قدرت کانال ، انتخابی را ارائه دهد. امکان ترکیب سیگنالهای قوی در کانالهای مجاور با کانالهای ضعیف مورد علاقه ، محدودیتهای شدیدی را در انتخاب پذیری طراحی تیونر اعمال می کند. تا همین اواخر ، معماری های مبتکرانه RF و بهبود پردازش نیمه هادی RF به تیونرهای سیلیکونی اجازه می داد تا با هزینه کم به عملکرد مورد نیاز دست یابند.
با حذف نیاز به تنظیمات دستی ، این تیونرهای سیلیکونی می توانند عملکرد تولید را افزایش داده و عملکرد قابل اطمینان تری نسبت به طرح های قدیمی ارائه دهند. آنها با حذف نیاز به منبع تغذیه با ولتاژ بالا و امکان اجرای فشرده ، نیازهای دستگاه های قابل حمل را برآورده می کنند. با توجه به تأثیر بازار بر این ویژگی ها ، انتظار می رود تیونرهای سیلیکونی طرح گیرنده های تلویزیون را با سایر بخش های صنعت الکترونیک هماهنگ کنند.
راوی شنوی ([ایمیل محافظت شده]) کارگردان آنالوگ و فناوری RF LSI Logic (میلپیتاس ، کالیفرنیا) است.
محصول دیگر ما:
