Televisi, perekam video, dekoder dan penerima kabel broadband semuanya memiliki elemen yang sama: tuner. Meskipun semua komponen elektronik lainnya dalam perangkat ini menyusut karena teknologi semikonduktor menyusut, aplikasi konsumen sering menggunakan "tangki tuner" besar untuk mencapai fungsi kritis ini. Pembatasan yang menantang pada desain tuner adalah alasan mengapa teknologi ini tetap ada, tetapi kekuatan pasar mendorong tuner silikon ke garis depan.
Perancang tuner harus mengatasi banyak tantangan. Sinyal input dalam aplikasi siaran televisi dan kabel terletak pada pita frekuensi 48 MHz hingga 861 MHz, dan kekuatan sinyal mungkin memiliki rentang dinamis yang lebar. Misalnya, dalam aplikasi siaran televisi, sinyal yang akan dipilih mungkin memiliki saluran yang tidak diinginkan yang berdekatan yang kekuatan sinyalnya melebihi 100 kali.
Desain tuner tipikal menggunakan arsitektur penerima konversi tunggal, meskipun arsitektur lain juga memungkinkan. Struktur tuner konversi tunggal mencakup filter pemilihan awal, penguat derau rendah (LNA), konverter turun, dan penguat frekuensi menengah (IF).
1. Kendala desain tuner silikon
1) Pelacakan filter yang dipilih sebelumnya
Filter pemilihan awal mengambil pita frekuensi sinyal frekuensi penuh dan menguranginya menjadi pita frekuensi yang lebih kecil yang berisi saluran yang diinginkan. Mengingat rentang frekuensi saluran yang lebar, ini berarti bahwa filter praseleksi harus menjadi filter bandpass pelacakan yang frekuensi pusatnya dapat bervariasi di seluruh spektrum sinyal. LNA dengan fungsi kontrol penguatan otomatis RF biasanya mengikuti filter yang telah dipilih sebelumnya.
Tahap downconverter adalah tradisisecara ionik sistem heterodyne. Downconverter dirancang dengan pemilihan saluran, yang melibatkan penyesuaian osilator lokal (LO) sehingga perbedaan antara frekuensi dan sinyal yang diinginkan berada dalam bandpass filter IF. Tahap ini menggunakan filter frekuensi tetap, pita sempit, berkinerja tinggi—biasanya perangkat gelombang akustik permukaan (SAW)—dengan memilih dan mengecualikan semua opsi lainnya. Ini diikuti oleh penguat IF dengan kontrol penguatan variabel, memungkinkan sistem untuk mencocokkan kekuatan sinyal yang dipilih dengan kebutuhan sirkuit demodulasi dan deteksi yang digerakkan oleh tuner.
Mempertimbangkan rentang frekuensi dan kekuatan sinyal yang lebar dari sinyal input, menggunakan arsitektur ini untuk menghasilkan tuner berkinerja baik akan membawa banyak tantangan. Salah satunya adalah filter pra-seleksi. Untuk menutupi bandwidth sinyal penuh, implementasi TV tuner siaran biasa memerlukan filter untuk beroperasi di tiga pita frekuensi yang berbeda: VHF (frekuensi sangat tinggi), 48 hingga 88 MHz; VHF sedang, 174 hingga 216 MHz; dan UHF (frekuensi super Tinggi) pada 470 hingga 861 MHz. Implementasi yang umum adalah menggunakan filter terpisah, satu untuk setiap filter.
2) Operasi multi-band
Filter pemilihan awal memilih pita frekuensi operasi, tetapi mungkin masih perlu menerapkan filter pelacakan untuk memberikan selektivitas yang diperlukan. Filter pelacakan harus mempertahankan bandwidth yang relatif tetap, meskipun frekuensi tengah dapat berubah pada banyak oktaf. Realisasi filter semacam itu biasanya membutuhkan sejumlah besar komponen pasif, seperti induktor, yang harus disetel secara manual di pabrik untuk mendapatkan kinerja yang tepat. Permintaan akan komponen pasif dan penyetelan manual ini sangat meningkatkan ukuran dan biaya tuner. Tuner tipikal dapat berukuran 2.5 x 2 x 0.75 inci.
Namun, filter praseleksi bukan satu-satunya komponen dengan tantangan desain. LO di downconverter juga harus menangani rentang frekuensi yang lebar. Filter pemilihan awal hanya mengurangi bandwidth sinyal input. Sinyal yang diinginkan mungkin masih berada di mana saja dalam rentang 48 hingga 861 MHz, dan LO pada dasarnya harus mencakup rentang ini. Selain itu, LO harus menunjukkan kebisingan fase jarak dekat yang rendah atau penerimaan saluran DTV akan terganggu. Osilator sirkuit terintegrasi mencapai rentang frekuensi yang luas yang tidak dapat disetel, dan pada saat yang sama menunjukkan noise fase rendah menggunakan tegangan catu daya 3 volt khas sistem elektronik saat ini. Catu daya hingga 30 V mungkin diperlukan.
Untuk memenuhi semua persyaratan kinerja ini, sebagian besar pemasok memilih untuk mempertahankan desain tuner TV dan VCR tradisional, terlepas dari biaya dan ukurannya. Tapi tekanan pasar mulai memaksa perubahan. Salah satu unsurnya adalah otorisasi dari Federal Communications Commission, yaitu semua TV yang dijual di Amerika Serikat sudah mulai menggunakan tuner yang mampu menerima siaran TV digital. Tugas ini memaksa pemasok untuk mengubah struktur dasar produk mereka, menciptakan peluang untuk inovasi dalam desain tuner.
Pertumbuhan permintaan pasar hiburan portabel juga mendorong perubahan dalam desain tuner. Portable berarti perangkat bertenaga baterai atau genggam dan melarang penggunaan tegangan tinggi dalam implementasi LO. Selain itu, perangkat portabel memerlukan implementasi yang jauh lebih kecil daripada tuner biasa. Di pasar layar/TV panel datar yang berkembang, ukuran kecil juga penting. Dalam desain panel datar, ukuran tuner mungkin menjadi faktor pembatas untuk penipisan produk.
Tren lain yang mempengaruhi kebutuhan tuner adalah konsumen ingin menerima beberapa saluran secara bersamaan. Ini berarti bahwa lebih dari satu tuner diperlukan, yang memakan lebih banyak ruang, yang mempengaruhi ukuran sistem dan meningkatkan biaya tuner untuk produk akhir. Tekanan pasar untuk mengurangi ukuran dan tren lainnya telah mendorong penggunaan desain tuner silikon.
3) Hilangkan penyetelan manual
Ada banyak tujuan untuk desain silikon tuner. Salah satu tujuan utama adalah menghilangkan kebutuhan untuk menyesuaikan komponen eksternal secara manual di filter pelacakan. Ada dua efek dalam silikon. Salah satunya adalah menghilangkan sebagian besar komponen eksternal juga menghilangkan kemampuannya untuk menyerap dan menghilangkan energi RF yang tidak diinginkan dari pita frekuensi yang dikecualikan. Tuner silikon harus menggunakan desain sirkuit inovatif di LNA dan mixer untuk mengelola energi yang tidak diinginkan tanpa merusak transistor.
Dampak kedua adalah kebutuhan akan arsitektur RF baru. Desain tuner silikon awal mencoba mengadopsi metode konversi ganda, yang memberikan selektivitas tanpa menyetel komponen eksternal secara manual. Konversi pertama menggeser frekuensi sinyal input ke atas. Filter RF SAW mengurangi bandwidth sebelum mengonversi ke IF untuk kedua kalinya. Perangkat filter mewakili biaya utama dari desain ini.
Baru-baru ini, teknologi self-calibration digunakan untuk mengatasi perubahan dalam proses manufaktur semikonduktor. Beberapa juga menghilangkan kebutuhan akan catu daya tegangan tinggi untuk LO dan kebutuhan akan perangkat RF SAW. Sebaliknya, mereka hanya menggunakan filter SAW pada tahap IF, yang memiliki frekuensi jauh lebih rendah dan perangkat dengan biaya lebih rendah daripada filter RF SAW.
Menerapkan desain ini dalam silikon membutuhkan teknologi proses semikonduktor canggih. Pemasok chip biasanya hanya mencirikan proses implementasi VLSI digital mereka. Untuk menerapkan tuner silikon, prosesnya harus dicirikan berdasarkan kinerja RF. Selain itu, proses harus memiliki cara untuk membuat induktor dengan nilai yang benar dan memiliki Q yang cukup tinggi untuk implementasi LO fasa rendah atau desain filter RF. Proses seperti itu sekarang dapat digunakan.
Selain proses semikonduktor, tuner silikon memerlukan desain chip yang cermat. RF memiliki banyak peluang untuk interferensi terpancar dan konduksi. Dalam desain tuner silikon chip tunggal, kedekatan jalur sinyal on-chip dan berbagi substrat sirkuit memperburuk hal ini. Mengontrol gangguan ini memerlukan tata letak yang memisahkan sirkuit kritis dan mencakup pola pelindung. Desainnya juga membutuhkan pembuatan dan pengelolaan yang cermat dari jaringan distribusi listrik dan ground on-chip. Selain itu, desain harus menyertakan komponen penyaringan on-chip dan off-chip untuk memutus jalur sinyal interferensi.
Semua masalah ini telah dipecahkan, dan dengan munculnya perangkat tuner silikon, desainer produk mulai membuat cara untuk menyingkirkan tuner-in-a-can yang lama. Penerima satelit dan kabel adalah yang pertama mengadopsi metode ini. Mereka memproses sinyal dengan daya yang kira-kira sama di setiap saluran. Keseragaman saluran ini sedikit menyederhanakan desain tuner, memungkinkan peralatan tuner silikon awal untuk memenuhi persyaratan.
Namun, penerimaan siaran terestrial harus menggunakan tuner yang dapat memberikan selektivitas pada berbagai tingkat daya saluran. Kemungkinan menggabungkan sinyal kuat di saluran yang berdekatan dengan saluran minat yang lemah memberlakukan pembatasan ketat pada selektivitas desain tuner. Sampai saat ini, arsitektur RF yang inovatif dan pemrosesan semikonduktor RF yang ditingkatkan telah memungkinkan tuner silikon untuk mencapai kinerja yang diperlukan dengan biaya rendah.
Dengan menghilangkan kebutuhan untuk penyesuaian manual, tuner silikon ini dapat meningkatkan hasil produksi dan memberikan kinerja yang lebih andal daripada desain lama. Mereka memenuhi kebutuhan perangkat portabel dengan menghilangkan kebutuhan akan catu daya tegangan tinggi dan memungkinkan implementasi yang ringkas. Mengingat pengaruh pasar pada atribut ini, tuner silikon diharapkan untuk menyelaraskan desain penerima TV dengan bagian lain dari industri elektronik.
Ravi Shenoy ([email dilindungi]) adalah direktur analog dan teknologi RF dari LSI Logic (Milpitas, California).
produk kami yang lain:
