硅调谐器设计的制约因素

电视，录像机，机顶盒和宽带有线接收器都有一个共同的元素：调谐器。虽然这些设备中的所有其他电子元件随着半导体技术的缩小而缩小，但消费类应用通常使用庞大的“调谐器罐”来实现这一关键功能。对调谐器设计的挑战性限制是这项技术坚持的原因，但市场力量正在将硅调谐器推向前台。

调谐器设计师必须克服许多挑战。广播电视和有线应用中的输入信号位于48 MHz至861 MHz的频带内，信号强度可能具有较宽的动态范围。例如，在广播电视应用中，要选择的信号可能具有相邻的不需要的信道，其信号强度超过100倍。

典型的调谐器设计使用单转换接收器架构，尽管其他架构也是可行的。单转换调谐器的结构包括预选滤波器，低噪声放大器（LNA），下变频器和中频（IF）放大器。

预选滤波器跟踪

预选滤波器采用全频信号频段并将其减小到包含感兴趣频道的较小频段。鉴于频道频率范围很广，这意味着预选滤波器必须是跟踪带通滤波器，其中心频率可以在整个信号频谱上变化。具有RF自动增益控制功能的LNA通常遵循预选滤波器。

下变频器阶段传统上是外差系统。下变频器设计为具有通道选择，其涉及调整本地振荡器（LO），使得其频率与感兴趣的信号之间的差异落入IF滤波器的带通内。这个阶段使用高性能，窄带，固定频率滤波器??通常是表面声波（SAW）器件??通过选择并排除所有其他选择。随后是一个具有可变增益控制的IF放大器，允许系统将所选信号的强度与调谐器正在驱动的解调和检测电路的需求相匹配。

考虑到输入信号的宽频率和信号强度范围，使用这种架构生成性能良好的调谐器会带来许多挑战。一个是预选过滤器。为了覆盖全部信号带宽，典型的广播电视调谐器实现要求滤波器在三个不同的频带中工作：VHF（非常高的频率），48到88 MHz;中等VHF，174至216 MHz;和UHF（超高频）在470到861 MHz。常见的实现是使用单独的过滤器，每个过滤器一个。

多频段操作

预选滤波器选择操作频段，但仍可能需要实现跟踪滤波器以提供所需的选择性。该跟踪滤波器必须保持相对固定的带宽，尽管中心频率可以在许多倍频程上改变。实现这样的滤波器通常需要大量的无源元件，例如电感器，必须在工厂进行手动调谐以获得适当的性能。对无源元件和手动调谐的这种需求大大增加了调谐器的体积和费用。典型的调谐器可以测量2.5 x 2 x 0.75英寸。

然而，预选滤波器不是唯一具有设计挑战的元件。下变频器中的LO也必须处理宽频率范围。预选滤波器仅缩小输入信号的带宽。感兴趣的信号可能仍然落在48到861 MHz范围内的任何地方，并且LO必须基本上覆盖该范围。此外，LO必须表现出低近距离相位噪声或DTV信道接收将受到损害。集成电路振荡器实现不能调谐那么宽的频率范围，同时使用当今电子系统典型的3伏电源电压表现出低相位噪声。可能需要高达30 V的电源。

满足所有这些性能要求，大多数供应商选择保留传统的电视和VCR调谐器设计，尽管其成本和尺寸。但市场压力正在开始迫使改变。其中一个要素是联邦通信委员会的授权，即在美国销售的所有电视都开始采用能够接收数字电视广播的调谐器。这项任务迫使供应商改变其产品的基本结构，为调谐器设计创造了创新机会。

便携式娱乐市场需求的增长也推动了调谐器设计的变革。 Portable意味着电池供电或手持设备，禁止在LO实现中使用高电压。此外，便携式设备需要比典型调谐器小得多的实现。在日益增长的平板显示器/电视市场中，小尺寸也很重要。在平板设计中，调谐器的尺寸可能是产品变薄的限制因素。

影响调谐器要求的另一个趋势是消费者希望同时接收多个频道。这意味着需要不止一个调谐器，占用更多空间，从而影响系统尺寸，并为最终产品增加调谐器成本的倍数。减小尺寸的市场压力以及其他趋势促进了硅调谐器设计的使用。

消除手动调谐

硅调谐器设计有很多目标。其中一个主要目标是消除在跟踪过滤器中手动调整外部组件的需要。在硅中有两个影响。一个是消除大多数外部元件也消除了它们从被排除的频带吸收和消散不需要的RF能量的能力。硅调谐器必须在LNA和混频器中使用创新的电路设计来管理不需要的能量，而不会损坏晶体管。

第二个影响是需要新的RF架构。早期的硅调谐器设计尝试采用双转换方法，无需手动调谐外部元件即可提供选择性。第一次转换将输入信号的频率向上移动。 RF SAW滤波器在第二次转换为IF之前缩小了带宽。过滤装置代表了这种设计的主要成本。

最近，自校准技术正被用于克服半导体工艺制造的变化。有些还消除了对LO的高压电源的需求以及对RF SAW器件的需求。相反，它们仅在IF级使用SAW滤波器，其频率低得多，并且是比RF SAW滤波器更低成本的器件。

在硅片中实现这些设计需要先进的半导体工艺技术。芯片供应商通常仅表征其数字VLSI实现的过程。要实现硅调谐器，必须根据RF性能来表征该过程。此外，该过程必须有一种方法，用于创建正确值的电感器，并具有足够高的Q，用于低相位噪声LO实现或RF滤波器设计。现在可以使用这样的工艺。

除了半导体工艺，硅调谐器需要仔细的芯片设计。 RF有很多辐射和传导干扰的机会。在单芯片硅调谐器设计中，片上信号线的接近和电路基板的共享加剧了这些。控制这种干扰需要一种分离关键电路的布局，并包括屏蔽图案。该设计还需要仔细创建和管理片上电源和地面分配网络。此外，该设计必须包含片上和关闭的滤波元件，以打破干扰信号路径。

所有这些问题都已解决，随着硅调谐器设备的出现，产品设计师已开始制作摆脱旧的tuner-in-a-can方法。卫星和有线接收器是第一个采用这种方法的人。它们处理每个通道中具有大致相同功率的信号。这种通道均匀性稍微简化了调谐器设计，使早期的硅调谐器设备能够满足要求。

然而，地面广播接收必须使用能够在广泛的信道功率水平下提供选择性的调谐器。相邻信道中的强信号与感兴趣的弱信道相结合的可能性对调谐器设计的选择性施加了严格的限制。直到最近才有创新的RF架构和改进的RF半导体处理，允许硅调谐器以低成本实现所需的性能。

通过消除手动调整的需要，这些硅调谐器可以提高制造产量并提供比旧设计更可靠的性能。它们通过消除对高压电源的需求并允许紧凑的实现来满足便携式设备的需求。鉴于市场对这些属性的影响，硅调谐器有望使电视接收机设计与电子行业的其他部分保持一致。

Ravi Shenoy（[e-mail]）是模拟总监和LSI Logic公司（加利福尼亚州米尔皮塔斯）的射频技术。