テレビ、ビデオレコーダー、セットトップボックス、ブロードバンドケーブルレシーバーにはすべて、チューナーという共通の要素があります。 これらのデバイスの他のすべての電子部品は、半導体技術が縮小するにつれて縮小しますが、消費者向けアプリケーションは、この重要な機能を実現するために巨大な「チューナータンク」を使用することがよくあります。 チューナーの設計に対する厳しい制限がこのテクノロジーが存続する理由ですが、市場の力がシリコンチューナーを最前線に押し上げています。
チューナーの設計者は、多くの課題を克服する必要があります。 テレビ放送やケーブルアプリケーションの入力信号は48MHz〜861 MHzの周波数帯域にあり、信号強度は広いダイナミックレンジを持つ可能性があります。 例えば、放送テレビアプリケーションでは、選択される信号は、信号強度が１００倍を超える隣接する望ましくないチャネルを有し得る。
一般的なチューナーの設計では、単一の変換レシーバーアーキテクチャを使用しますが、他のアーキテクチャも可能です。 単一変換チューナーの構造には、事前選択フィルター、低ノイズアンプ（LNA）、ダウンコンバーター、および中間周波数（IF）アンプが含まれます。
1.シリコンチューナー設計の制約
1）事前に選択されたフィルター追跡
事前選択フィルターは、全周波数信号の周波数帯域を取得し、対象のチャネルを含むより小さな周波数帯域に低減します。 チャネルの広い周波数範囲を考慮すると、これは、事前選択フィルターが、中心周波数が信号スペクトル全体で変化する可能性があるトラッキングバンドパスフィルターでなければならないことを意味します。 RF自動利得制御機能を備えたLNAは通常、事前に選択されたフィルターに従います。
ダウンコンバーターステージは伝統的ですイオン的にヘテロダインシステム。 ダウンコンバーターは、周波数と対象の信号の差がIFフィルターのバンドパス内に収まるように局部発振器（LO）を調整するチャネル選択を使用して設計されています。 このステージでは、他のすべてのオプションを選択して除外することにより、高性能の狭帯域固定周波数フィルター（通常は弾性表面波（SAW）デバイス）を使用します。 これに可変ゲイン制御を備えたIFアンプが続き、システムが選択された信号の強度をチューナーが駆動している復調および検出回路のニーズに一致させることができます。
入力信号の周波数と信号強度の範囲が広いことを考えると、このアーキテクチャを使用して高性能のチューナーを生成すると、多くの課題が発生します。 48つは事前選択フィルターです。 信号帯域幅全体をカバーするために、一般的な放送TVチューナーの実装では、88つの異なる周波数帯域で動作するフィルターが必要です。VHF（超短波）、174〜216MHz。 中VHF、470〜861 MHz; XNUMX〜XNUMX MHzのUHF（超高周波）。 一般的な実装は、フィルターごとにXNUMXつずつ、別々のフィルターを使用することです。
2）マルチバンド操作
事前選択フィルターは動作周波数帯域を選択しますが、必要な選択性を提供するためにトラッキングフィルターを実装する必要がある場合があります。 中心周波数は何オクターブでも変化する可能性がありますが、トラッキングフィルターは比較的固定された帯域幅を維持する必要があります。 このようなフィルタを実現するには、通常、インダクタなどの多数の受動部品が必要であり、適切な性能を得るには、工場で手動で調整する必要があります。 受動部品と手動チューニングに対するこの需要は、チューナーのサイズとコストを大幅に増加させます。 一般的なチューナーは、2.5 x 2 x0.75インチを測定できます。
ただし、事前選択フィルターだけが設計上の課題を抱えているコンポーネントではありません。 ダウンコンバーターのLOも広い周波数範囲を処理する必要があります。 事前選択フィルターは、入力信号の帯域幅を減らすだけです。 対象の信号は、48〜861 MHzの範囲のどこにでも入る可能性があり、LOは基本的にこの範囲をカバーする必要があります。 さらに、LOは低近距離位相ノイズを示す必要があります。そうしないと、DTVチャネルの受信が損なわれます。 集積回路発振器は、調整できないような広い周波数範囲を実現すると同時に、今日の電子システムの典型的な3ボルトの電源電圧を使用して低位相ノイズを示します。 最大30Vの電源が必要になる場合があります。
これらすべてのパフォーマンス要件を満たすために、ほとんどのサプライヤは、コストとサイズにかかわらず、従来のTVおよびVCRチューナーの設計を維持することを選択します。 しかし、市場の圧力が変化を余儀なくされ始めています。 要素のXNUMXつは、連邦通信委員会の承認です。つまり、米国で販売されているすべてのTVは、デジタルTV放送を受信できるチューナーの使用を開始しています。 このタスクにより、サプライヤは製品の基本構造を変更する必要があり、チューナー設計の革新の機会が生まれます。
ポータブルエンターテインメント市場の需要の伸びも、チューナーの設計の変更を促進しています。 ポータブルとは、バッテリー駆動またはハンドヘルドデバイスを意味し、LO実装での高電圧の使用を禁止します。 さらに、ポータブルデバイスは、通常のチューナーよりもはるかに小さな実装を必要とします。 成長するフラットパネルディスプレイ/ TV市場では、小型サイズも重要です。 フラットパネル設計では、チューナーのサイズが製品の薄化の制限要因になる場合があります。
チューナーの要件に影響を与えるもうXNUMXつの傾向は、消費者が同時に複数のチャネルを受信したいということです。 これは、複数のチューナーが必要であることを意味します。これは、より多くのスペースを占有し、システムサイズに影響を与え、最終製品のチューナーのコストを増加させます。 サイズを縮小するという市場の圧力やその他の傾向により、シリコンチューナーの設計の使用が促進されています。
3）手動チューニングを排除します
シリコンチューナーの設計には多くの目標があります。 主な目標のXNUMXつは、トラッキングフィルターの外部コンポーネントを手動で調整する必要をなくすことです。 シリコンにはXNUMXつの効果があります。 XNUMXつは、ほとんどの外部コンポーネントを排除すると、除外された周波数帯域から不要なRFエネルギーを吸収および放散する能力も排除されることです。 シリコンチューナーは、トランジスタに損傷を与えることなく不要なエネルギーを管理するために、LNAとミキサーで革新的な回路設計を使用する必要があります。
XNUMX番目の影響は、新しいRFアーキテクチャの必要性です。 初期のシリコンチューナーの設計では、外部コンポーネントを手動で調整せずに選択性を提供する二重変換方式を採用しようとしました。 最初の変換では、入力信号の周波数が上方にシフトします。 RF SAWフィルタは、XNUMX回目のIFに変換する前に帯域幅を減らします。 フィルタデバイスは、この設計の主なコストを表しています。
最近、半導体プロセス製造の変化を克服するために自己校正技術が使用されています。 また、LO用の高電圧電源やRFSAWデバイスの必要性を排除するものもあります。 代わりに、IFステージでSAWフィルターのみを使用します。これは、RF SAWフィルターよりもはるかに低い周波数を持ち、低コストのデバイスです。
これらの設計をシリコンに実装するには、高度な半導体プロセス技術が必要です。 チップサプライヤは通常、デジタルVLSI実装のプロセスのみを特徴づけます。 シリコンチューナーを実装するには、RF性能に基づいてプロセスを特性評価する必要があります。 さらに、このプロセスには、正しい値のインダクタを作成する方法が必要であり、低位相ノイズLOの実装またはRFフィルタの設計に十分な高さのQが必要です。 このようなプロセスを使用できるようになりました。
半導体プロセスに加えて、シリコンチューナーには注意深いチップ設計が必要です。 RFには、放射および伝導干渉の多くの機会があります。 シングルチップシリコンチューナーの設計では、オンチップ信号ラインの近接性と回路基板の共有がこれを悪化させます。 この干渉を制御するには、重要な回路を分離し、シールドパターンを含むレイアウトが必要です。 この設計では、オンチップの電力および地上配電ネットワークを注意深く作成および管理する必要もあります。 さらに、干渉信号パスを遮断するために、オンチップおよびオフチップのフィルタリングコンポーネントを設計に含める必要があります。
これらの問題はすべて解決され、シリコンチューナーデバイスの出現により、製品設計者は古い缶入りチューナーを取り除く方法を作り始めました。 この方法を最初に採用したのは衛星放送とケーブルテレビでした。 これらは、各チャネルでほぼ同じ電力で信号を処理します。 このチャネルの均一性により、チューナーの設計がわずかに簡素化され、初期のシリコンチューナー機器が要件を満たすことができます。
ただし、地上波放送の受信では、広範囲のチャネル電力レベルで選択性を提供できるチューナーを使用する必要があります。 隣接するチャネルの強い信号と対象の弱いチャネルを組み合わせる可能性があるため、チューナー設計の選択性に厳しい制限が課せられます。 最近まで、革新的なRFアーキテクチャと改善されたRF半導体処理により、シリコンチューナーは低コストで必要なパフォーマンスを実現できました。
これらのシリコンチューナーは、手動調整の必要性を排除することにより、製造歩留まりを向上させ、古い設計よりも信頼性の高いパフォーマンスを提供できます。 高電圧電源の必要性を排除し、コンパクトな実装を可能にすることで、ポータブルデバイスのニーズを満たします。 これらの属性に対する市場の影響を考えると、シリコンチューナーは、テレビ受信機の設計を電子産業の他の部分と整合させることが期待されています。
ラヴィ・シェノイ（[メール保護]）は、LSI Logic（Milpitas、California）のアナログディレクターおよびRFテクノロジーです。
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