Les téléviseurs, les magnétoscopes, les décodeurs et les récepteurs câblés à large bande ont tous un élément commun : le tuner. Bien que tous les autres composants électroniques de ces dispositifs rétrécissent à mesure que la technologie des semi-conducteurs rétrécit, les applications grand public utilisent souvent d'énormes "réservoirs de tuner" pour réaliser cette fonction critique. Les restrictions difficiles sur la conception des syntoniseurs sont la raison pour laquelle cette technologie persiste, mais les forces du marché poussent les syntoniseurs en silicium au premier plan.
Le concepteur du tuner doit surmonter de nombreux défis. Le signal d'entrée dans les applications de télédiffusion et de câble se situe dans la bande de fréquences de 48 MHz à 861 MHz, et la force du signal peut avoir une large plage dynamique. Par exemple, dans les applications de télédiffusion, le signal à sélectionner peut avoir des canaux indésirables adjacents dont l'intensité du signal dépasse 100 fois.
Une conception de tuner typique utilise une architecture de récepteur de conversion unique, bien que d'autres architectures soient également possibles. La structure d'un tuner de conversion unique comprend un filtre de présélection, un amplificateur à faible bruit (LNA), un convertisseur vers le bas et un amplificateur à fréquence intermédiaire (IF).
1. Contraintes de la conception du tuner en silicium
1) Suivi de filtre présélectionné
Le filtre de présélection prend toute la bande de fréquence du signal de fréquence et la réduit à une bande de fréquence plus petite contenant le canal d'intérêt. Compte tenu de la large gamme de fréquences du canal, cela signifie que le filtre de présélection doit être un filtre passe-bande de suivi dont la fréquence centrale peut varier sur tout le spectre du signal. Les LNA dotés de fonctions de contrôle automatique de gain RF suivent généralement un filtre présélectionné.
L'étage downconverter est traditioniquement un système hétérodyne. Le convertisseur abaisseur est conçu avec une sélection de canal, ce qui implique d'ajuster l'oscillateur local (LO) de sorte que la différence entre sa fréquence et le signal d'intérêt tombe dans la bande passante du filtre FI. Cette étape utilise des filtres hautes performances, à bande étroite et à fréquence fixe, généralement des dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), en sélectionnant et en excluant toutes les autres options. Ceci est suivi d'un amplificateur FI avec contrôle de gain variable, permettant au système d'adapter la force du signal sélectionné aux besoins du circuit de démodulation et de détection que le tuner pilote.
Compte tenu de la large plage de fréquences et d'intensité du signal d'entrée, l'utilisation de cette architecture pour générer un tuner performant posera de nombreux défis. L'un est le filtre de présélection. Afin de couvrir toute la bande passante du signal, les implémentations typiques de tuner TV de diffusion nécessitent des filtres pour fonctionner dans trois bandes de fréquences différentes : VHF (très haute fréquence), 48 à 88 MHz ; VHF moyenne, 174 à 216 MHz ; et UHF (super haute fréquence) de 470 à 861 MHz. Une implémentation courante consiste à utiliser des filtres séparés, un pour chaque filtre.
2) Fonctionnement multibande
Le filtre de présélection sélectionne la bande de fréquence de fonctionnement, mais il peut encore être nécessaire de mettre en œuvre un filtre de poursuite pour fournir la sélectivité requise. Le filtre de poursuite doit maintenir une bande passante relativement fixe, bien que la fréquence centrale puisse changer sur plusieurs octaves. La réalisation d'un tel filtre nécessite généralement un grand nombre de composants passifs, tels que des inductances, qui doivent être réglés manuellement en usine pour obtenir de bonnes performances. Cette demande de composants passifs et de réglage manuel augmente considérablement la taille et le coût du tuner. Un tuner typique peut mesurer 2.5 x 2 x 0.75 pouces.
Cependant, le filtre de présélection n'est pas le seul composant avec des défis de conception. Le LO dans le downconverter doit également gérer une large gamme de fréquences. Le filtre de présélection ne fait que réduire la bande passante du signal d'entrée. Le signal d'intérêt peut encore tomber n'importe où dans la plage de 48 à 861 MHz, et le LO doit essentiellement couvrir cette plage. De plus, le LO doit présenter un faible bruit de phase à courte portée, sinon la réception du canal DTV sera compromise. L'oscillateur à circuit intégré atteint une plage de fréquences si large qu'il ne peut pas être réglé, et présente en même temps un faible bruit de phase en utilisant la tension d'alimentation typique de 3 volts des systèmes électroniques d'aujourd'hui. Une alimentation jusqu'à 30 V peut être nécessaire.
Pour répondre à toutes ces exigences de performance, la plupart des fournisseurs choisissent de conserver les conceptions traditionnelles de tuner TV et magnétoscope, malgré leur coût et leur taille. Mais les pressions du marché commencent à forcer le changement. L'un des éléments est l'autorisation de la Federal Communications Commission, c'est-à-dire que tous les téléviseurs vendus aux États-Unis ont commencé à utiliser des tuners capables de recevoir des émissions de télévision numérique. Cette tâche oblige les fournisseurs à modifier la structure de base de leurs produits, créant ainsi des opportunités d'innovation dans la conception des tuners.
La croissance de la demande pour le marché du divertissement portable a également favorisé des changements dans la conception du tuner. Portable signifie appareils alimentés par batterie ou portables et interdit l'utilisation de hautes tensions dans les implémentations LO. De plus, les appareils portables nécessitent des implémentations beaucoup plus petites que les tuners classiques. Sur le marché en pleine croissance des écrans plats/téléviseurs, la petite taille est également importante. Dans une conception à écran plat, la taille du tuner peut être le facteur limitant pour l'amincissement du produit.
Une autre tendance qui affecte les exigences du tuner est que les consommateurs souhaitent recevoir plusieurs chaînes en même temps. Cela signifie que plusieurs syntoniseurs sont nécessaires, ce qui prend plus de place, ce qui affecte la taille du système et augmente le coût du syntoniseur pour le produit final. La pression du marché pour réduire la taille et d'autres tendances ont favorisé l'utilisation de conceptions de tuner en silicium.
3) Élimine le réglage manuel
Il existe de nombreux objectifs pour la conception d'un tuner en silicium. L'un des principaux objectifs est d'éliminer le besoin d'ajuster manuellement les composants externes dans le filtre de suivi. Il y a deux effets dans le silicium. La première est que l'élimination de la plupart des composants externes élimine également leur capacité à absorber et à dissiper l'énergie RF indésirable de la bande de fréquences exclue. Les tuners au silicium doivent utiliser des conceptions de circuits innovantes dans les LNA et les mélangeurs pour gérer l'énergie indésirable sans endommager les transistors.
Le deuxième impact est le besoin d'une nouvelle architecture RF. Les premières conceptions de tuner en silicium ont essayé d'adopter une méthode de double conversion, qui offrait une sélectivité sans régler manuellement les composants externes. La première conversion décale la fréquence du signal d'entrée vers le haut. Le filtre RF SAW réduit la bande passante avant la conversion en FI pour la deuxième fois. Le dispositif de filtrage représente le coût principal de cette conception.
Récemment, la technologie d'auto-étalonnage est utilisée pour surmonter les changements dans la fabrication des semi-conducteurs. Certains éliminent également le besoin d'alimentations haute tension pour le LO et le besoin de dispositifs RF SAW. Au lieu de cela, ils n'utilisent que des filtres SAW dans l'étage FI, qui ont une fréquence beaucoup plus basse et sont des dispositifs moins coûteux que les filtres RF SAW.
La mise en œuvre de ces conceptions dans le silicium nécessite une technologie avancée de traitement des semi-conducteurs. Les fournisseurs de puces ne caractérisent généralement que le processus de leur implémentation numérique VLSI. Pour mettre en œuvre un tuner au silicium, le processus doit être caractérisé en fonction des performances RF. De plus, le processus doit avoir un moyen de créer une inductance de la valeur correcte et avoir un Q suffisamment élevé pour une mise en œuvre LO à faible bruit de phase ou une conception de filtre RF. Un tel procédé peut maintenant être utilisé.
En plus des processus de semi-conducteurs, les tuners en silicium nécessitent une conception de puce soignée. RF a de nombreuses possibilités d'interférences rayonnées et conduites. Dans une conception de tuner en silicium à puce unique, la proximité des lignes de signaux sur puce et le partage des substrats de circuit exacerbent ce problème. Le contrôle de ces interférences nécessite une configuration qui sépare les circuits critiques et inclut des motifs de blindage. La conception nécessite également une création et une gestion minutieuses des réseaux de distribution électrique et terrestre sur puce. De plus, la conception doit inclure des composants de filtrage sur puce et hors puce pour rompre le chemin du signal d'interférence.
Tous ces problèmes ont été résolus, et avec l'avènement des dispositifs de syntonisation en silicium, les concepteurs de produits ont commencé à trouver des moyens de se débarrasser de l'ancien syntoniseur en boîte. Les récepteurs satellite et câble ont été les premiers à adopter cette méthode. Ils traitent les signaux avec à peu près la même puissance dans chaque canal. Cette uniformité de canal simplifie légèrement la conception du tuner, permettant aux premiers équipements de tuner en silicium de répondre aux exigences.
Cependant, la réception de diffusion terrestre doit utiliser un tuner qui peut fournir une sélectivité sur une large gamme de niveaux de puissance de canal. La possibilité de combiner des signaux forts dans des canaux adjacents avec des canaux d'intérêt faibles impose des restrictions strictes sur la sélectivité de la conception du tuner. Jusqu'à récemment, des architectures RF innovantes et un traitement amélioré des semi-conducteurs RF ont permis aux tuners en silicium d'atteindre les performances requises à faible coût.
En éliminant le besoin de réglages manuels, ces tuners en silicium peuvent augmenter les rendements de fabrication et offrir des performances plus fiables que les conceptions plus anciennes. Ils répondent aux besoins des appareils portables en éliminant le besoin d'alimentations haute tension et en permettant des implémentations compactes. Compte tenu de l'influence du marché sur ces attributs, les tuners en silicium devraient aligner les conceptions des récepteurs de télévision avec d'autres parties de l'industrie électronique.
Ravi Shenoy ([email protected]) est le directeur analogique et la technologie RF de LSI Logic (Milpitas, Californie).
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