Televisioilla, videonauhureilla, digisovittimilla ja laajakaistakaapelivastaanottimilla on yhteinen elementti: viritin. Vaikka kaikki muut näiden laitteiden elektroniset komponentit kutistuvat puolijohdetekniikan kutistuessa, kuluttajasovellukset käyttävät usein valtavia "virittimen säiliöitä" tämän kriittisen tehtävän saavuttamiseksi. Haastavat rajoitukset virittimen suunnittelulle ovat syy tähän tekniikkaan, mutta markkinavoimat työntävät pii -virittimet eturintamaan.
Virittimen suunnittelijan on voitettava monet haasteet. Televisiolähetys- ja kaapelisovellusten tulosignaali on taajuuskaistalla 48 MHz - 861 MHz, ja signaalin voimakkuudella voi olla laaja dynaaminen alue. Esimerkiksi televisiolähetyssovelluksissa valittavalla signaalilla voi olla vierekkäisiä ei -toivottuja kanavia, joiden signaalin voimakkuus ylittää 100 kertaa.
Tyypillinen viritinmuotoilu käyttää yhtä muunnosvastaanotinarkkitehtuuria, vaikka muutkin arkkitehtuurit ovat mahdollisia. Yksittäisen muuntimen virittimen rakenne sisältää esivalintasuodattimen, matalan kohinan vahvistimen (LNA), alasmuuntimen ja välitaajuusvahvistimen (IF).
1. Silikonivirittimen suunnittelun rajoitukset
1) Esivalittu suodattimen seuranta
Esivalintasuodatin ottaa koko taajuussignaalin taajuuskaistan ja pienentää sen pienemmälle taajuuskaistalle, joka sisältää kiinnostuksen kohteena olevan kanavan. Kun otetaan huomioon kanavan laaja taajuusalue, tämä tarkoittaa, että esivalinnan suodattimen on oltava seurantakaistanpäästösuodatin, jonka keskitaajuus voi vaihdella signaalispektrissä. LNA: t, joissa on RF -automaattinen vahvistuksen säätötoiminto, noudattavat yleensä ennalta valittua suodatinta.
Alasmuuntimen vaihe on perinteinenionisesti heterodyne -järjestelmä. Alasmuunnin on suunniteltu kanavavalinnalla, joka sisältää paikallisen oskillaattorin (LO) säätämisen siten, että sen taajuuden ja kiinnostavan signaalin välinen ero kuuluu IF -suodattimen kaistanpäästöön. Tässä vaiheessa käytetään tehokkaita, kapeakaistaisia, kiinteän taajuuden suodattimia-yleensä pinta-akustisia aaltoja (SAW)-valitsemalla ja sulkemalla pois kaikki muut vaihtoehdot. Tätä seuraa IF -vahvistin, jossa on säädettävä vahvistuksen säätö, jolloin järjestelmä voi sovittaa valitun signaalin voimakkuuden virittimen käyttämän demodulaatio- ja tunnistuspiirin tarpeisiin.
Kun otetaan huomioon tulosignaalin laaja taajuus ja signaalin voimakkuusalue, tämän arkkitehtuurin käyttäminen hyvän suorituskyvyn virittimen tuottamiseen tuo monia haasteita. Yksi on esivalintasuodatin. Täyden signaalin kaistanleveyden kattamiseksi tyypilliset TV -virittimen toteutukset edellyttävät suodattimien toimimista kolmella eri taajuuskaistalla: VHF (erittäin korkea taajuus), 48–88 MHz; keskikokoinen VHF, 174-216 MHz; ja UHF (super suurtaajuus) 470 - 861 MHz. Yleinen toteutus on käyttää erillisiä suodattimia, yksi kullekin suodattimelle.
2) Monikaistainen käyttö
Esivalintasuodatin valitsee toimintataajuuskaistan, mutta saattaa silti olla tarpeen ottaa käyttöön seurantasuodatin vaaditun valikoivuuden aikaansaamiseksi. Seurantasuodattimen on säilytettävä suhteellisen kiinteä kaistanleveys, vaikka keskitaajuus voi muuttua monien oktaavien aikana. Tällaisen suodattimen toteuttaminen vaatii yleensä suuren määrän passiivisia komponentteja, kuten induktoreita, jotka on säädettävä manuaalisesti tehtaalla oikean suorituskyvyn saavuttamiseksi. Tämä passiivisten komponenttien ja manuaalisen virityksen kysyntä lisää huomattavasti virittimen kokoa ja hintaa. Tyypillinen viritin voi mitata 2.5 x 2 x 0.75 tuumaa.
Esivalinnan suodatin ei kuitenkaan ole ainoa komponentti, jolla on suunnitteluhaasteita. Alasmuuntimen LO: n on myös käsiteltävä laajaa taajuusaluetta. Esivalintasuodatin pienentää vain tulosignaalin kaistanleveyttä. Kiinnostava signaali voi silti pudota mihin tahansa 48-861 MHz: n alueelle, ja LO: n on periaatteessa katettava tämä alue. Lisäksi LO: n on näytettävä matalaa lähialueen vaihekohinaa tai DTV-kanavan vastaanotto vaarantuu. Integroitu piiri-oskillaattori saavuttaa niin laajan taajuusalueen, jota ei voi virittää, ja samalla se tuottaa alhaista vaihekohinaa käyttämällä nykypäivän elektronisten järjestelmien tyypillistä 3 voltin virtalähdettä. Jännite voi olla jopa 30 V.
Näiden suorituskykyvaatimusten täyttämiseksi useimmat toimittajat haluavat säilyttää perinteiset TV- ja videonauhurimallit niiden hinnasta ja koosta huolimatta. Mutta markkinoiden paineet alkavat pakottaa muutoksia. Yksi niistä on liittovaltion viestintäkomission lupa, eli kaikki Yhdysvalloissa myydyt televisiot ovat alkaneet käyttää virittimiä, jotka pystyvät vastaanottamaan digitaalisia TV -lähetyksiä. Tämä tehtävä pakottaa toimittajat muuttamaan tuotteidensa perusrakennetta ja luomaan mahdollisuuksia innovaatioihin virittimen suunnittelussa.
Kannettavien viihdemarkkinoiden kysynnän kasvu on myös edistänyt muutoksia virittimen suunnittelussa. Kannettava tarkoittaa paristokäyttöisiä tai kämmenlaitteita ja estää korkean jännitteen käytön LO-toteutuksissa. Lisäksi kannettavat laitteet vaativat paljon pienempiä toteutuksia kuin tyypilliset virittimet. Kasvavilla litteillä näyttö-/TV -markkinoilla pieni koko on myös tärkeä. Litteässä paneelissa virittimen koko voi rajoittaa tuotteen ohenemista.
Toinen virittimien vaatimuksiin vaikuttava suuntaus on, että kuluttajat haluavat vastaanottaa useita kanavia samanaikaisesti. Tämä tarkoittaa, että tarvitaan useampi kuin yksi viritin, joka vie enemmän tilaa, mikä vaikuttaa järjestelmän kokoon ja lisää virittimen kustannuksia lopputuotteelle. Markkinoiden paine pienentää kokoa ja muut suuntaukset ovat edistäneet pii -viritinmallien käyttöä.
3) Poista manuaalinen viritys
Piivirittimen suunnittelulla on monia tavoitteita. Yksi päätavoitteista on poistaa tarve säätää ulkoisia komponentteja manuaalisesti seurantasuodattimessa. Piissä on kaksi vaikutusta. Yksi on se, että useimpien ulkoisten komponenttien poistaminen poistaa myös niiden kyvyn absorboida ja hajottaa ei -toivottua RF -energiaa poissuljetulta taajuuskaistalta. Pii -virittimien on käytettävä innovatiivisia piirimalleja LNA -laitteissa ja sekoittimissa hallitakseen ei -toivottua energiaa vahingoittamatta transistoreita.
Toinen vaikutus on uuden RF -arkkitehtuurin tarve. Varhaiset pii -viritinmallit yrittivät ottaa käyttöön kaksoiskonversiomenetelmän, joka tarjosi valikoivuutta ilman ulkoisten komponenttien manuaalista virittämistä. Ensimmäinen muunnos siirtää tulosignaalin taajuutta ylöspäin. RF SAW -suodatin vähentää kaistanleveyttä ennen kuin se muunnetaan IF: ksi toisen kerran. Suodatinlaite edustaa tämän suunnittelun pääkustannuksia.
Viime aikoina on käytetty itsekalibrointitekniikkaa puolijohdeprosessien valmistuksen muutosten voittamiseksi. Jotkut eliminoivat myös korkean jännitteen virtalähteiden tarpeen LO: lle ja RF SAW -laitteiden tarpeen. Sen sijaan he käyttävät vain IF -vaiheessa SAW -suodattimia, joiden taajuus on paljon alhaisempi ja jotka ovat halvempia laitteita kuin RF -SAW -suodattimet.
Näiden rakenteiden toteuttaminen piissä vaatii edistynyttä puolijohdeteknologiaa. Sirun toimittajat yleensä luonnehtivat vain digitaalisen VLSI -toteutuksensa prosessia. Piivirittimen toteuttamiseksi prosessi on karakterisoitava RF -suorituskyvyn perusteella. Lisäksi prosessilla on oltava tapa luoda oikean arvon induktori ja sen on oltava riittävän korkea Q matalan vaihekohinan LO -toteutukseen tai RF -suodattimen suunnitteluun. Tällaista prosessia voidaan nyt käyttää.
Puoliviritysprosessien lisäksi pii -virittimet vaativat huolellista sirun suunnittelua. RF: llä on monia mahdollisuuksia säteilevään ja johtavaan häiriöön. Yksisirisen piivirittimen suunnittelussa sirun signaalilinjojen läheisyys ja piirialustojen jakaminen pahentavat tätä. Tämän häiriön hallinta vaatii asettelun, joka erottaa kriittiset piirit ja sisältää suojauskuviot. Suunnittelu edellyttää myös huolellista sirulla olevien sähkö- ja maajakeluverkkojen luomista ja hallintaa. Lisäksi suunnittelussa on oltava sirun sisäisiä ja sirun ulkopuolisia suodatinkomponentteja häiriösignaalin polun rikkomiseksi.
Kaikki nämä ongelmat on ratkaistu, ja pii-viritinlaitteiden tullessa tuotesuunnittelijat ovat alkaneet keinoja päästä eroon vanhasta viritinvahvistimesta. Satelliitti- ja kaapelivastaanottimet ottivat ensimmäisenä käyttöön tämän menetelmän. Ne käsittelevät signaaleja suunnilleen samalla teholla kussakin kanavassa. Tämä kanavan yhtenäisyys yksinkertaistaa hieman virittimen suunnittelua, jolloin varhaiset pii -viritinlaitteet täyttävät vaatimukset.
Maanpäällisen yleislähetyksen vastaanoton on kuitenkin käytettävä viritintä, joka voi tarjota valikoivuutta monilla kanavatehotasoilla. Mahdollisuus yhdistää voimakkaita signaaleja viereisissä kanavissa heikkoihin kiinnostuksen kohteisiin rajoittaa tiukasti virittimen suunnittelun valikoivuutta. Viime aikoihin asti innovatiiviset RF -arkkitehtuurit ja parannettu RF -puolijohdekäsittely ovat mahdollistaneet pii -virittimien saavuttaa vaaditun suorituskyvyn edullisesti.
Poistamalla manuaalisten säätöjen tarpeen nämä pii -virittimet voivat lisätä tuotantoa ja tarjota luotettavampaa suorituskykyä kuin vanhemmat mallit. Ne täyttävät kannettavien laitteiden tarpeet poistamalla suurjännitelähteiden tarpeen ja mahdollistavat kompaktit toteutukset. Kun otetaan huomioon markkinoiden vaikutus näihin ominaisuuksiin, piivirittimien odotetaan sovittavan TV -vastaanottimien mallit muihin elektroniikkateollisuuden osiin.
Ravi Shenoy ([sähköposti suojattu]) on LSI Logicin (Milpitas, Kalifornia) analoginen johtaja ja RF -tekniikka.
Meidän muiden tuotteiden:
