Televisores, gravadores de vídeo, decodificadores e receptores de cabo de banda larga possuem um elemento comum: o sintonizador. Embora todos os outros componentes eletrônicos desses dispositivos diminuam à medida que a tecnologia de semicondutores diminui, os aplicativos de consumo costumam usar enormes "tanques de sintonizador" para realizar essa função crítica. Restrições desafiadoras no projeto do sintonizador são a razão pela qual essa tecnologia persiste, mas as forças do mercado estão empurrando os sintonizadores de silício para a vanguarda.
O designer do sintonizador deve superar muitos desafios. O sinal de entrada em aplicações de transmissão de televisão e cabo está na faixa de frequência de 48 MHz a 861 MHz, e a intensidade do sinal pode ter uma ampla faixa dinâmica. Por exemplo, em aplicações de transmissão de televisão, o sinal a ser selecionado pode ter canais indesejados adjacentes, cuja intensidade de sinal excede 100 vezes.
Um projeto típico de sintonizador usa uma única arquitetura de receptor de conversão, embora outras arquiteturas também sejam possíveis. A estrutura de um único sintonizador de conversão inclui um filtro de pré-seleção, um amplificador de baixo ruído (LNA), um conversor descendente e um amplificador de frequência intermediária (IF).
1. Restrições do design do sintonizador de silício
1) Rastreamento de filtro pré-selecionado
O filtro de pré-seleção pega toda a banda de freqüência do sinal de freqüência e a reduz a uma banda de freqüência menor contendo o canal de interesse. Em vista da ampla faixa de frequência do canal, isso significa que o filtro de pré-seleção deve ser um filtro passa-banda de rastreamento, cuja frequência central pode variar em todo o espectro do sinal. LNAs com funções de controle de ganho automático de RF geralmente seguem um filtro pré-selecionado.
O estágio de downconverter é tradicionalionalmente um sistema heteródino. O conversor descendente é projetado com seleção de canal, que envolve o ajuste do oscilador local (LO) para que a diferença entre sua frequência e o sinal de interesse caia dentro da passagem de banda do filtro IF. Este estágio usa filtros de frequência fixa de banda estreita de alto desempenho - geralmente dispositivos de onda acústica de superfície (SAW) - selecionando e excluindo todas as outras opções. Isso é seguido por um amplificador IF com controle de ganho variável, permitindo que o sistema combine a força do sinal selecionado com as necessidades do circuito de demodulação e detecção que o sintonizador está acionando.
Considerando a ampla faixa de frequência e intensidade do sinal do sinal de entrada, usar essa arquitetura para gerar um sintonizador de bom desempenho trará muitos desafios. Um é o filtro de pré-seleção. Para cobrir toda a largura de banda do sinal, as implementações típicas de sintonizadores de transmissão de TV requerem filtros para operar em três bandas de frequência diferentes: VHF (frequência muito alta), 48 a 88 MHz; VHF médio, 174 a 216 MHz; e UHF (super alta frequência) de 470 a 861 MHz. Uma implementação comum é usar filtros separados, um para cada filtro.
2) Operação multibanda
O filtro de pré-seleção seleciona a banda de frequência operacional, mas ainda pode ser necessário implementar um filtro de rastreamento para fornecer a seletividade necessária. O filtro de rastreamento deve manter uma largura de banda relativamente fixa, embora a frequência central possa mudar em muitas oitavas. A realização de tal filtro geralmente requer um grande número de componentes passivos, como indutores, que devem ser ajustados manualmente na fábrica para obter o desempenho adequado. Essa demanda por componentes passivos e ajuste manual aumenta muito o tamanho e o custo do sintonizador. Um sintonizador típico pode medir 2.5 x 2 x 0.75 polegadas.
No entanto, o filtro de pré-seleção não é o único componente com desafios de design. O LO no conversor descendente também deve lidar com uma ampla faixa de frequência. O filtro de pré-seleção reduz apenas a largura de banda do sinal de entrada. O sinal de interesse ainda pode cair em qualquer lugar na faixa de 48 a 861 MHz, e o LO deve basicamente cobrir essa faixa. Além disso, o LO deve exibir baixo ruído de fase de curto alcance ou a recepção do canal DTV será comprometida. O oscilador de circuito integrado atinge uma ampla faixa de frequência que não pode ser ajustada e, ao mesmo tempo, exibe baixo ruído de fase usando a voltagem de alimentação de 3 volts típica dos sistemas eletrônicos atuais. Pode ser necessária uma fonte de alimentação de até 30 V.
Para atender a todos esses requisitos de desempenho, a maioria dos fornecedores opta por manter os designs tradicionais de sintonizador de TV e VCR, apesar de seu custo e tamanho. Mas as pressões do mercado estão começando a forçar mudanças. Um dos elementos é a autorização da Federal Communications Commission, ou seja, todas as TVs vendidas nos Estados Unidos passaram a utilizar sintonizadores capazes de receber transmissões de TV digital. Essa tarefa força os fornecedores a mudar a estrutura básica de seus produtos, criando oportunidades de inovação no design de sintonizadores.
O crescimento da demanda pelo mercado de entretenimento portátil também promoveu mudanças no design do sintonizador. Portátil significa dispositivos alimentados por bateria ou de mão e proíbe o uso de altas tensões em implementações de LO. Além disso, os dispositivos portáteis requerem implementações muito menores do que os sintonizadores típicos. No crescente mercado de monitores de tela plana / TV, o tamanho pequeno também é importante. Em um design de tela plana, o tamanho do sintonizador pode ser o fator limitante para o afinamento do produto.
Outra tendência que afeta os requisitos do sintonizador é que os consumidores desejam receber vários canais ao mesmo tempo. Isso significa que mais de um sintonizador é necessário, o que ocupa mais espaço, o que afeta o tamanho do sistema e aumenta o custo do sintonizador para o produto final. A pressão do mercado para reduzir o tamanho e outras tendências promoveram o uso de designs de sintonizadores de silício.
3) Elimine a sintonia manual
Existem muitos objetivos para o projeto de sintonizador de silício. Um dos principais objetivos é eliminar a necessidade de ajustar manualmente os componentes externos no filtro de rastreamento. Existem dois efeitos no silício. Uma delas é que a eliminação da maioria dos componentes externos também elimina sua capacidade de absorver e dissipar energia de RF indesejada da banda de frequência excluída. Os sintonizadores de silício devem usar designs de circuito inovadores em LNAs e mixers para gerenciar a energia indesejada sem danificar os transistores.
O segundo impacto é a necessidade de uma nova arquitetura de RF. Os primeiros projetos de sintonizadores de silício tentaram adotar um método de dupla conversão, que fornecia seletividade sem ajustar manualmente os componentes externos. A primeira conversão muda a frequência do sinal de entrada para cima. O filtro RF SAW reduz a largura de banda antes de converter para IF pela segunda vez. O dispositivo de filtro representa o principal custo deste projeto.
Recentemente, a tecnologia de autocalibração está sendo usada para superar as mudanças na fabricação de processos de semicondutores. Alguns também eliminam a necessidade de fontes de alimentação de alta tensão para o LO e a necessidade de dispositivos RF SAW. Em vez disso, eles usam apenas filtros SAW no estágio IF, que têm uma frequência muito mais baixa e são dispositivos de custo mais baixo do que os filtros RF SAW.
A implementação desses projetos em silício requer tecnologia avançada de processo de semicondutor. Os fornecedores de chips geralmente apenas caracterizam o processo de implementação de VLSI digital. Para implementar um sintonizador de silício, o processo deve ser caracterizado com base no desempenho de RF. Além disso, o processo deve ter uma maneira de criar um indutor com o valor correto e ter um Q suficientemente alto para implementação de LO de baixo ruído de fase ou projeto de filtro de RF. Esse processo agora pode ser usado.
Além dos processos de semicondutores, os sintonizadores de silício exigem um projeto cuidadoso do chip. RF oferece muitas oportunidades para interferência irradiada e conduzida. Em um projeto de sintonizador de silício de chip único, a proximidade das linhas de sinal no chip e o compartilhamento de substratos de circuito agravam isso. O controle dessa interferência requer um layout que separe os circuitos críticos e inclua padrões de blindagem. O projeto também exige a criação e o gerenciamento cuidadosos de redes de distribuição de energia e aterramento no chip. Além disso, o projeto deve incluir componentes de filtragem on-chip e off-chip para interromper o caminho do sinal de interferência.
Todos esses problemas foram resolvidos e, com o advento dos dispositivos sintonizadores de silício, os projetistas de produtos começaram a encontrar maneiras de se livrar do velho sintonizador em lata. Os receptores de satélite e cabo foram os primeiros a adotar esse método. Eles processam sinais com aproximadamente a mesma potência em cada canal. Essa uniformidade de canal simplifica ligeiramente o design do sintonizador, permitindo que o equipamento sintonizador de silício inicial atenda aos requisitos.
No entanto, a recepção de transmissão terrestre deve usar um sintonizador que possa fornecer seletividade em uma ampla gama de níveis de potência do canal. A possibilidade de combinar sinais fortes em canais adjacentes com canais de interesse fracos impõe restrições estritas à seletividade do projeto do sintonizador. Até recentemente, arquiteturas de RF inovadoras e processamento aprimorado de semicondutores de RF permitiam que os sintonizadores de silício atingissem o desempenho necessário a baixo custo.
Ao eliminar a necessidade de ajustes manuais, esses sintonizadores de silício podem aumentar os rendimentos de fabricação e fornecer um desempenho mais confiável do que os designs mais antigos. Eles atendem às necessidades de dispositivos portáteis, eliminando a necessidade de fontes de alimentação de alta tensão e permitindo implementações compactas. Dada a influência do mercado sobre esses atributos, espera-se que os sintonizadores de silício alinhem os projetos dos receptores de TV com outras partes da indústria eletrônica.
Ravi Shenoy ([email protegido]) é o diretor analógico e a tecnologia RF da LSI Logic (Milpitas, Califórnia).
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