Ti vi, máy ghi hình, hộp giải mã tín hiệu và máy thu cáp băng thông rộng đều có một phần tử chung: bộ thu sóng. Mặc dù tất cả các thành phần điện tử khác trong các thiết bị này co lại khi công nghệ bán dẫn co lại, các ứng dụng tiêu dùng thường sử dụng các "bể điều chỉnh" khổng lồ để đạt được chức năng quan trọng này. Những hạn chế thách thức về thiết kế bộ chỉnh là lý do khiến công nghệ này tồn tại, nhưng các lực lượng thị trường đang đẩy bộ chỉnh silicon lên hàng đầu.
Người thiết kế bộ chỉnh phải vượt qua nhiều thử thách. Tín hiệu đầu vào trong các ứng dụng cáp và truyền hình quảng bá nằm trong dải tần từ 48 MHz đến 861 MHz và cường độ tín hiệu có thể có dải động rộng. Ví dụ, trong các ứng dụng truyền hình quảng bá, tín hiệu được chọn có thể có các kênh không mong muốn liền kề có cường độ tín hiệu vượt quá 100 lần.
Một thiết kế bộ thu sóng điển hình sử dụng một kiến trúc bộ thu chuyển đổi duy nhất, mặc dù các kiến trúc khác cũng có thể. Cấu trúc của một bộ chỉnh chuyển đổi đơn bao gồm một bộ lọc chọn trước, một bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA), một bộ chuyển đổi xuống và một bộ khuếch đại tần số trung gian (IF).
1. Hạn chế của thiết kế bộ chỉnh silicon
1) Theo dõi bộ lọc được chọn trước
Bộ lọc chọn trước lấy toàn bộ dải tần của tín hiệu tần số và giảm nó xuống dải tần nhỏ hơn có chứa kênh quan tâm. Theo quan điểm của dải tần số rộng của kênh, điều này có nghĩa là bộ lọc chọn trước phải là bộ lọc thông dải theo dõi có tần số trung tâm có thể thay đổi trên phổ tín hiệu. Các LNA có chức năng điều khiển độ lợi tự động RF thường tuân theo một bộ lọc được chọn trước.
Giai đoạn chuyển đổi xuống là traditionally là một hệ thống heterodyne. Bộ chuyển đổi hướng xuống được thiết kế với lựa chọn kênh, liên quan đến việc điều chỉnh bộ dao động cục bộ (LO) để sự khác biệt giữa tần số của nó và tín hiệu quan tâm nằm trong dải thông của bộ lọc IF. Giai đoạn này sử dụng các bộ lọc tần số cố định, dải hẹp, hiệu suất cao — thường là các thiết bị sóng âm bề mặt (SAW) — bằng cách chọn và loại trừ tất cả các tùy chọn khác. Tiếp theo là bộ khuếch đại IF với điều khiển độ lợi thay đổi, cho phép hệ thống phù hợp với cường độ của tín hiệu đã chọn với nhu cầu của mạch giải điều chế và phát hiện mà bộ điều chỉnh đang điều khiển.
Xem xét dải tần số và cường độ tín hiệu rộng của tín hiệu đầu vào, việc sử dụng kiến trúc này để tạo ra một bộ điều chỉnh hiệu suất tốt sẽ mang lại nhiều thách thức. Một là bộ lọc chọn trước. Để bao phủ toàn bộ băng thông tín hiệu, việc triển khai bộ thu sóng TV thông thường yêu cầu các bộ lọc hoạt động ở ba dải tần khác nhau: VHF (tần số rất cao), 48 đến 88 MHz; VHF trung bình, 174 đến 216 MHz; và UHF (siêu cao tần) ở 470 đến 861 MHz. Cách triển khai phổ biến là sử dụng các bộ lọc riêng biệt, một bộ lọc cho mỗi bộ lọc.
2) Hoạt động đa băng tần
Bộ lọc chọn trước chọn dải tần hoạt động, nhưng vẫn có thể cần triển khai bộ lọc theo dõi để cung cấp độ chọn lọc cần thiết. Bộ lọc theo dõi phải duy trì một băng thông tương đối cố định, mặc dù tần số trung tâm có thể thay đổi trong nhiều quãng tám. Việc thực hiện một bộ lọc như vậy thường đòi hỏi một số lượng lớn các thành phần thụ động, chẳng hạn như cuộn cảm, phải được điều chỉnh thủ công trong nhà máy để có được hiệu suất phù hợp. Nhu cầu về các thành phần thụ động và điều chỉnh thủ công này làm tăng đáng kể kích thước và chi phí của bộ điều chỉnh. Một bộ thu sóng điển hình có thể đo 2.5 x 2 x 0.75 inch.
Tuy nhiên, bộ lọc chọn trước không phải là thành phần duy nhất gặp thách thức về thiết kế. LO trong bộ chuyển đổi xuống cũng phải xử lý dải tần số rộng. Bộ lọc chọn trước chỉ làm giảm băng thông của tín hiệu đầu vào. Tín hiệu quan tâm vẫn có thể rơi vào bất kỳ nơi nào trong dải tần 48 đến 861 MHz và LO về cơ bản phải bao phủ dải này. Ngoài ra, LO phải thể hiện nhiễu pha tầm gần thấp hoặc khả năng thu kênh DTV sẽ bị ảnh hưởng. Bộ dao động mạch tích hợp đạt được dải tần rộng đến mức không thể điều chỉnh được, đồng thời thể hiện nhiễu pha thấp nhờ sử dụng điện áp nguồn 3 volt điển hình của các hệ thống điện tử ngày nay. Có thể cần nguồn điện lên đến 30 V.
Để đáp ứng tất cả các yêu cầu về hiệu suất này, hầu hết các nhà cung cấp chọn giữ lại các thiết kế TV và bộ dò VCR truyền thống, bất chấp chi phí và kích thước của chúng. Nhưng áp lực thị trường đang bắt đầu thay đổi. Một trong những yếu tố đó là sự cho phép của Ủy ban Truyền thông Liên bang, tức là tất cả các TV được bán ở Hoa Kỳ đã bắt đầu sử dụng các bộ thu sóng có khả năng nhận các chương trình truyền hình kỹ thuật số. Nhiệm vụ này buộc các nhà cung cấp phải thay đổi cấu trúc cơ bản của sản phẩm của họ, tạo cơ hội cho sự đổi mới trong thiết kế bộ chỉnh.
Sự tăng trưởng nhu cầu đối với thị trường giải trí di động cũng thúc đẩy những thay đổi trong thiết kế bộ thu sóng. Portable có nghĩa là các thiết bị cầm tay hoặc chạy bằng pin và cấm sử dụng điện áp cao trong triển khai LO. Ngoài ra, các thiết bị di động yêu cầu triển khai nhỏ hơn nhiều so với các bộ chỉnh thông thường. Trong thị trường TV / màn hình phẳng đang phát triển, kích thước nhỏ cũng rất quan trọng. Trong thiết kế bảng điều khiển phẳng, kích thước của bộ chỉnh có thể là yếu tố hạn chế đối với việc làm mỏng sản phẩm.
Một xu hướng khác ảnh hưởng đến yêu cầu bộ thu sóng là người tiêu dùng muốn nhận nhiều kênh cùng một lúc. Điều này có nghĩa là cần có nhiều hơn một bộ chỉnh, chiếm nhiều không gian hơn, điều này ảnh hưởng đến kích thước hệ thống và làm tăng chi phí của bộ chỉnh cho sản phẩm cuối cùng. Áp lực thị trường để giảm kích thước và các xu hướng khác đã thúc đẩy việc sử dụng các thiết kế bộ chỉnh silicon.
3) Loại bỏ điều chỉnh thủ công
Có nhiều mục tiêu cho thiết kế bộ chỉnh silicon. Một trong những mục tiêu chính là loại bỏ nhu cầu điều chỉnh thủ công các thành phần bên ngoài trong bộ lọc theo dõi. Có hai hiệu ứng trong silicon. Một là việc loại bỏ hầu hết các thành phần bên ngoài cũng giúp loại bỏ khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng RF không mong muốn của chúng khỏi dải tần bị loại trừ. Bộ điều chỉnh silicon phải sử dụng thiết kế mạch sáng tạo trong LNA và bộ trộn để quản lý năng lượng không mong muốn mà không làm hỏng các bóng bán dẫn.
Tác động thứ hai là nhu cầu về một kiến trúc RF mới. Các thiết kế bộ điều chỉnh silicon ban đầu đã cố gắng áp dụng phương pháp chuyển đổi kép, cung cấp tính chọn lọc mà không cần điều chỉnh thủ công các thành phần bên ngoài. Chuyển đổi đầu tiên làm thay đổi tần số của tín hiệu đầu vào lên trên. Bộ lọc RF SAW giảm băng thông trước khi chuyển đổi sang IF lần thứ hai. Thiết bị lọc đại diện cho chi phí chính của thiết kế này.
Gần đây, công nghệ tự hiệu chuẩn đang được sử dụng để khắc phục những thay đổi trong quá trình sản xuất chất bán dẫn. Một số cũng loại bỏ nhu cầu về nguồn điện cao áp cho LO và nhu cầu về các thiết bị RF SAW. Thay vào đó, họ chỉ sử dụng bộ lọc SAW trong giai đoạn IF, có tần số thấp hơn nhiều và là thiết bị có chi phí thấp hơn bộ lọc RF SAW.
Việc thực hiện những thiết kế này bằng silicon đòi hỏi phải có công nghệ xử lý chất bán dẫn tiên tiến. Các nhà cung cấp chip thường chỉ mô tả quá trình thực hiện VLSI kỹ thuật số của họ. Để thực hiện một bộ điều chỉnh silicon, quy trình phải được đặc trưng dựa trên hiệu suất RF. Ngoài ra, quá trình phải có cách tạo ra một cuộn cảm có giá trị chính xác và có Q đủ cao để thực hiện LO nhiễu pha thấp hoặc thiết kế bộ lọc RF. Một quá trình như vậy bây giờ có thể được sử dụng.
Ngoài các quy trình bán dẫn, bộ chỉnh silicon yêu cầu thiết kế chip cẩn thận. RF có nhiều cơ hội cho nhiễu bức xạ và dẫn. Trong thiết kế bộ điều chỉnh silicon một chip, sự gần gũi của các đường tín hiệu trên chip và việc chia sẻ các chất nền mạch càng làm trầm trọng thêm điều này. Việc kiểm soát nhiễu này yêu cầu bố trí phân tách các mạch quan trọng và bao gồm các mẫu che chắn. Thiết kế cũng đòi hỏi sự sáng tạo và quản lý cẩn thận của các mạng phân phối điện và mặt đất trên chip. Ngoài ra, thiết kế phải bao gồm các thành phần lọc trên chip và ngoài chip để phá vỡ đường dẫn tín hiệu nhiễu.
Tất cả những vấn đề này đã được giải quyết, và với sự ra đời của các thiết bị điều chỉnh silicon, các nhà thiết kế sản phẩm đã bắt đầu tìm cách loại bỏ thiết bị điều chỉnh cũ. Các máy thu vệ tinh và cáp là những người đầu tiên áp dụng phương pháp này. Chúng xử lý tín hiệu với công suất gần như giống nhau trong mỗi kênh. Tính đồng nhất của kênh này đơn giản hóa một chút thiết kế bộ dò, cho phép thiết bị bộ dò silicon sớm đáp ứng các yêu cầu.
Tuy nhiên, việc thu phát sóng trên mặt đất phải sử dụng bộ thu sóng có thể cung cấp tính chọn lọc trên nhiều mức công suất kênh. Khả năng kết hợp các tín hiệu mạnh trong các kênh lân cận với các kênh quan tâm yếu gây ra những hạn chế nghiêm ngặt đối với tính chọn lọc của thiết kế bộ dò. Cho đến gần đây, các kiến trúc RF cải tiến và quá trình xử lý bán dẫn RF được cải tiến đã cho phép các bộ điều chỉnh silicon đạt được hiệu suất cần thiết với chi phí thấp.
Bằng cách loại bỏ nhu cầu điều chỉnh thủ công, những bộ điều chỉnh silicon này có thể tăng năng suất sản xuất và cung cấp hiệu suất đáng tin cậy hơn so với các thiết kế cũ. Chúng đáp ứng nhu cầu của các thiết bị di động bằng cách loại bỏ nhu cầu về nguồn điện cao áp và cho phép thực hiện nhỏ gọn. Với ảnh hưởng của thị trường đối với những thuộc tính này, bộ điều chỉnh silicon dự kiến sẽ điều chỉnh thiết kế bộ thu TV với các bộ phận khác của ngành công nghiệp điện tử.
Ravi Shenoy ([email được bảo vệ]) là giám đốc tương tự và công nghệ RF của LSI Logic (Milpitas, California).
sản phẩm khác của chúng tôi:
