Los televisores, las grabadoras de vídeo, los decodificadores y los receptores de cable de banda ancha tienen un elemento en común: el sintonizador. Aunque todos los demás componentes electrónicos de estos dispositivos se encogen a medida que se encoge la tecnología de semiconductores, las aplicaciones de consumo suelen utilizar enormes "tanques sintonizadores" para lograr esta función crítica. Las desafiantes restricciones en el diseño de sintonizadores son la razón por la que esta tecnología persiste, pero las fuerzas del mercado están empujando a los sintonizadores de silicio a la vanguardia.
El diseñador de sintonizadores debe superar muchos desafíos. La señal de entrada en aplicaciones de televisión y cable se encuentra en la banda de frecuencia de 48 MHz a 861 MHz, y la intensidad de la señal puede tener un amplio rango dinámico. Por ejemplo, en aplicaciones de transmisión de televisión, la señal que se va a seleccionar puede tener canales adyacentes no deseados cuya intensidad de señal exceda 100 veces.
Un diseño de sintonizador típico utiliza una arquitectura de receptor de conversión única, aunque también son posibles otras arquitecturas. La estructura de un sintonizador de conversión simple incluye un filtro de preselección, un amplificador de bajo ruido (LNA), un convertidor descendente y un amplificador de frecuencia intermedia (IF).
1. Restricciones del diseño del sintonizador de silicio
1) Seguimiento de filtro preseleccionado
El filtro de preselección toma la banda de frecuencia de la señal de frecuencia completa y la reduce a una banda de frecuencia más pequeña que contiene el canal de interés. En vista del amplio rango de frecuencia del canal, esto significa que el filtro de preselección debe ser un filtro de paso de banda de seguimiento cuya frecuencia central puede variar en todo el espectro de la señal. Los LNA con funciones de control automático de ganancia de RF suelen seguir un filtro preseleccionado.
La etapa del convertidor descendente es tradicional.ionalmente un sistema heterodino. El convertidor descendente está diseñado con selección de canal, que implica ajustar el oscilador local (LO) para que la diferencia entre su frecuencia y la señal de interés caiga dentro del paso de banda del filtro de FI. Esta etapa utiliza filtros de frecuencia fija, banda estrecha y alto rendimiento, generalmente dispositivos de ondas acústicas de superficie (SAW), al seleccionar y excluir todas las demás opciones. A esto le sigue un amplificador de FI con control de ganancia variable, lo que permite que el sistema haga coincidir la intensidad de la señal seleccionada con las necesidades del circuito de demodulación y detección que está accionando el sintonizador.
Teniendo en cuenta el amplio rango de frecuencia y potencia de la señal de entrada, el uso de esta arquitectura para generar un sintonizador de buen rendimiento traerá muchos desafíos. Uno es el filtro de preselección. Para cubrir todo el ancho de banda de la señal, las implementaciones típicas de los sintonizadores de transmisión de TV requieren que los filtros funcionen en tres bandas de frecuencia diferentes: VHF (frecuencia muy alta), 48 a 88 MHz; VHF medio, 174 a 216 MHz; y UHF (super alta frecuencia) de 470 a 861 MHz. Una implementación común es utilizar filtros separados, uno para cada filtro.
2) Operación multibanda
El filtro de preselección selecciona la banda de frecuencia operativa, pero aún puede ser necesario implementar un filtro de seguimiento para proporcionar la selectividad requerida. El filtro de seguimiento debe mantener un ancho de banda relativamente fijo, aunque la frecuencia central puede cambiar en muchas octavas. La realización de un filtro de este tipo generalmente requiere una gran cantidad de componentes pasivos, como inductores, que deben sintonizarse manualmente en la fábrica para obtener un rendimiento adecuado. Esta demanda de componentes pasivos y sintonización manual aumenta enormemente el tamaño y el costo del sintonizador. Un sintonizador típico puede medir 2.5 x 2 x 0.75 pulgadas.
Sin embargo, el filtro de preselección no es el único componente con desafíos de diseño. El LO en el convertidor descendente también debe manejar un amplio rango de frecuencia. El filtro de preselección solo reduce el ancho de banda de la señal de entrada. La señal de interés aún puede caer en cualquier lugar en el rango de 48 a 861 MHz, y el LO debe cubrir básicamente este rango. Además, el LO debe presentar un bajo ruido de fase de corto alcance o la recepción del canal DTV se verá comprometida. El oscilador de circuito integrado alcanza un rango de frecuencia tan amplio que no se puede sintonizar y, al mismo tiempo, exhibe un ruido de fase bajo utilizando el voltaje de suministro de energía típico de 3 voltios de los sistemas electrónicos actuales. Es posible que se requiera una fuente de alimentación de hasta 30 V.
Para cumplir con todos estos requisitos de rendimiento, la mayoría de los proveedores optan por conservar los diseños tradicionales de sintonizador de TV y VCR, a pesar de su costo y tamaño. Pero las presiones del mercado están comenzando a forzar cambios. Uno de los elementos es la autorización de la Comisión Federal de Comunicaciones, es decir, todos los televisores vendidos en Estados Unidos han comenzado a utilizar sintonizadores capaces de recibir transmisiones de TV digital. Esta tarea obliga a los proveedores a cambiar la estructura básica de sus productos, creando oportunidades para la innovación en el diseño de sintonizadores.
El crecimiento de la demanda del mercado del entretenimiento portátil también ha promovido cambios en el diseño de los sintonizadores. Portátil significa dispositivos de mano o alimentados por batería y prohíbe el uso de altos voltajes en implementaciones de LO. Además, los dispositivos portátiles requieren implementaciones mucho más pequeñas que los sintonizadores típicos. En el creciente mercado de pantallas planas / televisores, el tamaño pequeño también es importante. En un diseño de panel plano, el tamaño del sintonizador puede ser el factor limitante para el adelgazamiento del producto.
Otra tendencia que afecta a los requisitos del sintonizador es que los consumidores desean recibir varios canales al mismo tiempo. Esto significa que se requiere más de un sintonizador, lo que ocupa más espacio, lo que afecta el tamaño del sistema y aumenta el costo del sintonizador para el producto final. La presión del mercado para reducir el tamaño y otras tendencias han promovido el uso de diseños de sintonizadores de silicio.
3) Eliminar la sintonización manual
Hay muchos objetivos para el diseño de sintonizadores de silicio. Uno de los principales objetivos es eliminar la necesidad de ajustar manualmente los componentes externos en el filtro de seguimiento. Hay dos efectos en el silicio. Una es que la eliminación de la mayoría de los componentes externos también elimina su capacidad para absorber y disipar la energía de RF no deseada de la banda de frecuencia excluida. Los sintonizadores de silicio deben utilizar diseños de circuitos innovadores en LNA y mezcladores para gestionar la energía no deseada sin dañar los transistores.
El segundo impacto es la necesidad de una nueva arquitectura de RF. Los primeros diseños de sintonizadores de silicio intentaron adoptar un método de doble conversión, que proporcionaba selectividad sin ajustar manualmente los componentes externos. La primera conversión desplaza la frecuencia de la señal de entrada hacia arriba. El filtro RF SAW reduce el ancho de banda antes de convertir a IF por segunda vez. El dispositivo de filtro representa el costo principal de este diseño.
Recientemente, la tecnología de autocalibración se está utilizando para superar los cambios en la fabricación de procesos de semiconductores. Algunos también eliminan la necesidad de fuentes de alimentación de alto voltaje para el LO y la necesidad de dispositivos RF SAW. En cambio, solo usan filtros SAW en la etapa IF, que tienen una frecuencia mucho más baja y son dispositivos de menor costo que los filtros RF SAW.
La implementación de estos diseños en silicio requiere tecnología avanzada de proceso de semiconductores. Los proveedores de chips generalmente solo caracterizan el proceso de implementación de su VLSI digital. Para implementar un sintonizador de silicio, el proceso debe caracterizarse en función del rendimiento de RF. Además, el proceso debe tener una forma de crear un inductor del valor correcto y tener un Q suficientemente alto para la implementación de LO de bajo ruido de fase o el diseño de filtro de RF. Ahora se puede utilizar un proceso de este tipo.
Además de los procesos de semiconductores, los sintonizadores de silicio requieren un diseño de chip cuidadoso. La RF tiene muchas oportunidades de interferencia radiada y conducida. En un diseño de sintonizador de silicio de un solo chip, la proximidad de las líneas de señal en el chip y el intercambio de sustratos de circuito exacerban esto. El control de esta interferencia requiere un diseño que separe los circuitos críticos e incluya patrones de blindaje. El diseño también requiere una cuidadosa creación y administración de redes de distribución de energía y tierra en chip. Además, el diseño debe incluir componentes de filtrado dentro y fuera del chip para romper la ruta de la señal de interferencia.
Todos estos problemas se han resuelto y, con la llegada de los dispositivos sintonizadores de silicio, los diseñadores de productos han comenzado a encontrar formas de deshacerse del viejo sintonizador en lata. Los receptores de satélite y cable fueron los primeros en adoptar este método. Procesan señales con aproximadamente la misma potencia en cada canal. Esta uniformidad de canal simplifica ligeramente el diseño del sintonizador, lo que permite que los primeros equipos sintonizadores de silicio cumplan con los requisitos.
Sin embargo, la recepción de transmisiones terrestres debe utilizar un sintonizador que pueda proporcionar selectividad en una amplia gama de niveles de potencia de canal. La posibilidad de combinar señales fuertes en canales adyacentes con canales débiles de interés impone restricciones estrictas a la selectividad del diseño del sintonizador. Hasta hace poco, las arquitecturas de RF innovadoras y el procesamiento de semiconductores de RF mejorado han permitido que los sintonizadores de silicio alcancen el rendimiento requerido a bajo costo.
Al eliminar la necesidad de ajustes manuales, estos sintonizadores de silicio pueden aumentar los rendimientos de fabricación y proporcionar un rendimiento más confiable que los diseños más antiguos. Satisfacen las necesidades de los dispositivos portátiles eliminando la necesidad de fuentes de alimentación de alto voltaje y permitiendo implementaciones compactas. Dada la influencia del mercado en estos atributos, se espera que los sintonizadores de silicio alineen los diseños de los receptores de TV con otras partes de la industria electrónica.
Ravi Shenoy ([email protected]) es el director analógico y de tecnología RF de LSI Logic (Milpitas, California).
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