硅調(diào)諧器設(shè)計的制約因素

電視，錄像機，機頂盒和寬帶有線接收器都有一個共同的元素：調(diào)諧器。雖然這些設(shè)備中的所有其他電子元件隨著半導(dǎo)體技術(shù)的縮小而縮小，但消費類應(yīng)用通常使用龐大的“調(diào)諧器罐”來實現(xiàn)這一關(guān)鍵功能。對調(diào)諧器設(shè)計的挑戰(zhàn)性限制是這項技術(shù)堅持的原因，但市場力量正在將硅調(diào)諧器推向前臺。

調(diào)諧器設(shè)計師必須克服許多挑戰(zhàn)。廣播電視和有線應(yīng)用中的輸入信號位于48 MHz至861 MHz的頻帶內(nèi)，信號強度可能具有較寬的動態(tài)范圍。例如，在廣播電視應(yīng)用中，要選擇的信號可能具有相鄰的不需要的信道，其信號強度超過100倍。

典型的調(diào)諧器設(shè)計使用單轉(zhuǎn)換接收器架構(gòu)，盡管其他架構(gòu)也是可行的。單轉(zhuǎn)換調(diào)諧器的結(jié)構(gòu)包括預(yù)選濾波器，低噪聲放大器（LNA），下變頻器和中頻（IF）放大器。

預(yù)選濾波器跟蹤

預(yù)選濾波器采用全頻信號頻段并將其減小到包含感興趣頻道的較小頻段。鑒于頻道頻率范圍很廣，這意味著預(yù)選濾波器必須是跟蹤帶通濾波器，其中心頻率可以在整個信號頻譜上變化。具有RF自動增益控制功能的LNA通常遵循預(yù)選濾波器。

下變頻器階段傳統(tǒng)上是外差系統(tǒng)。下變頻器設(shè)計為具有通道選擇，其涉及調(diào)整本地振蕩器（LO），使得其頻率與感興趣的信號之間的差異落入IF濾波器的帶通內(nèi)。這個階段使用高性能，窄帶，固定頻率濾波器??通常是表面聲波（SAW）器件??通過選擇并排除所有其他選擇。隨后是一個具有可變增益控制的IF放大器，允許系統(tǒng)將所選信號的強度與調(diào)諧器正在驅(qū)動的解調(diào)和檢測電路的需求相匹配。

考慮到輸入信號的寬頻率和信號強度范圍，使用這種架構(gòu)生成性能良好的調(diào)諧器會帶來許多挑戰(zhàn)。一個是預(yù)選過濾器。為了覆蓋全部信號帶寬，典型的廣播電視調(diào)諧器實現(xiàn)要求濾波器在三個不同的頻帶中工作：VHF（非常高的頻率），48到88 MHz;中等VHF，174至216 MHz;和UHF（超高頻）在470到861 MHz。常見的實現(xiàn)是使用單獨的過濾器，每個過濾器一個。

多頻段操作

預(yù)選濾波器選擇操作頻段，但仍可能需要實現(xiàn)跟蹤濾波器以提供所需的選擇性。該跟蹤濾波器必須保持相對固定的帶寬，盡管中心頻率可以在許多倍頻程上改變。實現(xiàn)這樣的濾波器通常需要大量的無源元件，例如電感器，必須在工廠進行手動調(diào)諧以獲得適當?shù)男阅?。對無源元件和手動調(diào)諧的這種需求大大增加了調(diào)諧器的體積和費用。典型的調(diào)諧器可以測量2.5 x 2 x 0.75英寸。

然而，預(yù)選濾波器不是唯一具有設(shè)計挑戰(zhàn)的元件。下變頻器中的LO也必須處理寬頻率范圍。預(yù)選濾波器僅縮小輸入信號的帶寬。感興趣的信號可能仍然落在48到861 MHz范圍內(nèi)的任何地方，并且LO必須基本上覆蓋該范圍。此外，LO必須表現(xiàn)出低近距離相位噪聲或DTV信道接收將受到損害。集成電路振蕩器實現(xiàn)不能調(diào)諧那么寬的頻率范圍，同時使用當今電子系統(tǒng)典型的3伏電源電壓表現(xiàn)出低相位噪聲?？赡苄枰哌_30 V的電源。

滿足所有這些性能要求，大多數(shù)供應(yīng)商選擇保留傳統(tǒng)的電視和VCR調(diào)諧器設(shè)計，盡管其成本和尺寸。但市場壓力正在開始迫使改變。其中一個要素是聯(lián)邦通信委員會的授權(quán)，即在美國銷售的所有電視都開始采用能夠接收數(shù)字電視廣播的調(diào)諧器。這項任務(wù)迫使供應(yīng)商改變其產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，為調(diào)諧器設(shè)計創(chuàng)造了創(chuàng)新機會。

便攜式娛樂市場需求的增長也推動了調(diào)諧器設(shè)計的變革。 Portable意味著電池供電或手持設(shè)備，禁止在LO實現(xiàn)中使用高電壓。此外，便攜式設(shè)備需要比典型調(diào)諧器小得多的實現(xiàn)。在日益增長的平板顯示器/電視市場中，小尺寸也很重要。在平板設(shè)計中，調(diào)諧器的尺寸可能是產(chǎn)品變薄的限制因素。

影響調(diào)諧器要求的另一個趨勢是消費者希望同時接收多個頻道。這意味著需要不止一個調(diào)諧器，占用更多空間，從而影響系統(tǒng)尺寸，并為最終產(chǎn)品增加調(diào)諧器成本的倍數(shù)。減小尺寸的市場壓力以及其他趨勢促進了硅調(diào)諧器設(shè)計的使用。

消除手動調(diào)諧

硅調(diào)諧器設(shè)計有很多目標。其中一個主要目標是消除在跟蹤過濾器中手動調(diào)整外部組件的需要。在硅中有兩個影響。一個是消除大多數(shù)外部元件也消除了它們從被排除的頻帶吸收和消散不需要的RF能量的能力。硅調(diào)諧器必須在LNA和混頻器中使用創(chuàng)新的電路設(shè)計來管理不需要的能量，而不會損壞晶體管。

第二個影響是需要新的RF架構(gòu)。早期的硅調(diào)諧器設(shè)計嘗試采用雙轉(zhuǎn)換方法，無需手動調(diào)諧外部元件即可提供選擇性。第一次轉(zhuǎn)換將輸入信號的頻率向上移動。 RF SAW濾波器在第二次轉(zhuǎn)換為IF之前縮小了帶寬。過濾裝置代表了這種設(shè)計的主要成本。

最近，自校準技術(shù)正被用于克服半導(dǎo)體工藝制造的變化。有些還消除了對LO的高壓電源的需求以及對RF SAW器件的需求。相反，它們僅在IF級使用SAW濾波器，其頻率低得多，并且是比RF SAW濾波器更低成本的器件。

在硅片中實現(xiàn)這些設(shè)計需要先進的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。芯片供應(yīng)商通常僅表征其數(shù)字VLSI實現(xiàn)的過程。要實現(xiàn)硅調(diào)諧器，必須根據(jù)RF性能來表征該過程。此外，該過程必須有一種方法，用于創(chuàng)建正確值的電感器，并具有足夠高的Q，用于低相位噪聲LO實現(xiàn)或RF濾波器設(shè)計。現(xiàn)在可以使用這樣的工藝。

除了半導(dǎo)體工藝，硅調(diào)諧器需要仔細的芯片設(shè)計。 RF有很多輻射和傳導(dǎo)干擾的機會。在單芯片硅調(diào)諧器設(shè)計中，片上信號線的接近和電路基板的共享加劇了這些。控制這種干擾需要一種分離關(guān)鍵電路的布局，并包括屏蔽圖案。該設(shè)計還需要仔細創(chuàng)建和管理片上電源和地面分配網(wǎng)絡(luò)。此外，該設(shè)計必須包含片上和關(guān)閉的濾波元件，以打破干擾信號路徑。

所有這些問題都已解決，隨著硅調(diào)諧器設(shè)備的出現(xiàn)，產(chǎn)品設(shè)計師已開始制作擺脫舊的tuner-in-a-can方法。衛(wèi)星和有線接收器是第一個采用這種方法的人。它們處理每個通道中具有大致相同功率的信號。這種通道均勻性稍微簡化了調(diào)諧器設(shè)計，使早期的硅調(diào)諧器設(shè)備能夠滿足要求。

然而，地面廣播接收必須使用能夠在廣泛的信道功率水平下提供選擇性的調(diào)諧器。相鄰信道中的強信號與感興趣的弱信道相結(jié)合的可能性對調(diào)諧器設(shè)計的選擇性施加了嚴格的限制。直到最近才有創(chuàng)新的RF架構(gòu)和改進的RF半導(dǎo)體處理，允許硅調(diào)諧器以低成本實現(xiàn)所需的性能。

通過消除手動調(diào)整的需要，這些硅調(diào)諧器可以提高制造產(chǎn)量并提供比舊設(shè)計更可靠的性能。它們通過消除對高壓電源的需求并允許緊湊的實現(xiàn)來滿足便攜式設(shè)備的需求。鑒于市場對這些屬性的影響，硅調(diào)諧器有望使電視接收機設(shè)計與電子行業(yè)的其他部分保持一致。

Ravi Shenoy（rshenoy@lsil.com）是模擬總監(jiān)和LSI Logic公司（加利福尼亞州米爾皮塔斯）的射頻技術(shù)。