텔레비전, 비디오 레코더, 셋톱 박스 및 광대역 케이블 수신기는 모두 튜너라는 공통 요소를 가지고 있습니다. 반도체 기술이 축소됨에 따라 이러한 장치의 다른 모든 전자 구성 요소가 축소되지만 소비자 애플리케이션은 종종 이 중요한 기능을 달성하기 위해 거대한 "튜너 탱크"를 사용합니다. 튜너 디자인에 대한 도전적인 제한이 이 기술이 지속되는 이유이지만 시장의 힘은 실리콘 튜너를 최전방으로 밀어내고 있습니다.
튜너 설계자는 많은 문제를 극복해야 합니다. 방송 텔레비전 및 케이블 애플리케이션의 입력 신호는 48MHz ~ 861MHz의 주파수 대역에 있으며 신호 강도는 넓은 동적 범위를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 방송 텔레비젼 애플리케이션에서, 선택될 신호는 신호 강도가 100배를 초과하는 원치 않는 인접 채널을 가질 수 있다.
일반적인 튜너 설계는 단일 변환 수신기 아키텍처를 사용하지만 다른 아키텍처도 가능합니다. 단일 변환 튜너의 구조는 사전 선택 필터, 저잡음 증폭기(LNA), 다운 컨버터 및 중간 주파수(IF) 증폭기를 포함합니다.
1. 실리콘 튜너 설계의 제약
1) 미리 선택된 필터 추적
사전 선택 필터는 전체 주파수 신호 주파수 대역을 가져와 관심 있는 채널을 포함하는 더 작은 주파수 대역으로 줄입니다. 채널의 넓은 주파수 범위를 고려할 때 이는 사전 선택 필터가 신호 스펙트럼에 따라 중심 주파수가 달라질 수 있는 추적 대역 통과 필터여야 함을 의미합니다. RF 자동 이득 제어 기능이 있는 LNA는 일반적으로 미리 선택된 필터를 따릅니다.
다운 컨버터 단계는 전통적입니다.이온적으로는 헤테로다인 시스템입니다. 다운컨버터는 채널 선택과 함께 설계되었으며, 여기에는 로컬 오실레이터(LO)를 조정하여 해당 주파수와 해당 신호 간의 차이가 IF 필터의 대역 통과 내에 속하도록 합니다. 이 스테이지는 다른 모든 옵션을 선택하고 제외하여 일반적으로 표면탄성파(SAW) 장치인 고성능 협대역 고정 주파수 필터를 사용합니다. 그 다음에는 가변 이득 제어 기능이 있는 IF 증폭기가 있어 시스템이 선택한 신호의 강도를 튜너가 구동하는 복조 및 감지 회로의 요구 사항에 맞출 수 있습니다.
입력 신호의 넓은 주파수 및 신호 강도 범위를 고려할 때 이 아키텍처를 사용하여 우수한 성능의 튜너를 생성하려면 많은 문제가 발생합니다. 하나는 사전 선택 필터입니다. 전체 신호 대역폭을 커버하기 위해 일반적인 방송 TV 튜너 구현에는 세 가지 다른 주파수 대역에서 작동하는 필터가 필요합니다. VHF(초단파), 48~88MHz; 중간 VHF, 174~216MHz; 470~861MHz의 UHF(초고주파). 일반적인 구현은 각 필터에 하나씩 별도의 필터를 사용하는 것입니다.
2) 다중대역 운용
사전 선택 필터는 작동 주파수 대역을 선택하지만 필요한 선택도를 제공하기 위해 추적 필터를 구현해야 할 수도 있습니다. 추적 필터는 상대적으로 고정된 대역폭을 유지해야 하지만 중심 주파수는 여러 옥타브에서 변경될 수 있습니다. 이러한 필터를 구현하려면 일반적으로 적절한 성능을 얻기 위해 공장에서 수동으로 조정해야 하는 인덕터와 같은 많은 수의 수동 부품이 필요합니다. 패시브 구성 요소 및 수동 튜닝에 대한 이러한 요구는 튜너의 크기와 비용을 크게 증가시킵니다. 일반적인 튜너는 2.5 x 2 x 0.75인치를 측정할 수 있습니다.
그러나 사전 선택 필터가 설계 문제가 있는 유일한 구성 요소는 아닙니다. 다운컨버터의 LO도 넓은 주파수 범위를 처리해야 합니다. 사전 선택 필터는 입력 신호의 대역폭만 줄입니다. 관심 있는 신호는 여전히 48~861MHz 범위의 어느 곳에나 속할 수 있으며 LO는 기본적으로 이 범위를 커버해야 합니다. 또한 LO는 근거리 위상 노이즈가 낮아야 합니다. 그렇지 않으면 DTV 채널 수신이 손상됩니다. 집적 회로 발진기는 조정할 수 없는 넓은 주파수 범위를 달성하는 동시에 오늘날 전자 시스템의 일반적인 3볼트 전원 공급 장치 전압을 사용하여 낮은 위상 잡음을 나타냅니다. 최대 30V의 전원 공급 장치가 필요할 수 있습니다.
이러한 모든 성능 요구 사항을 충족하기 위해 대부분의 공급업체는 비용과 크기에도 불구하고 기존 TV 및 VCR 튜너 디자인을 유지하기로 선택합니다. 그러나 시장 압력이 변화를 강요하기 시작했습니다. 그 요소 중 하나는 미국에서 판매되는 모든 TV가 디지털 TV 방송을 수신할 수 있는 튜너를 사용하기 시작한 연방 통신 위원회의 승인입니다. 이 과제는 공급업체가 제품의 기본 구조를 변경하도록 강제하여 튜너 설계의 혁신 기회를 창출합니다.
휴대용 엔터테인먼트 시장에 대한 수요 증가로 인해 튜너 디자인의 변화도 촉진되었습니다. 휴대용은 배터리 전원 또는 핸드헬드 장치를 의미하며 LO 구현에서 고전압 사용을 금지합니다. 또한 휴대용 장치는 일반 튜너보다 훨씬 작은 구현이 필요합니다. 성장하는 평판 디스플레이/TV 시장에서는 작은 크기도 중요합니다. 평면 패널 설계에서 튜너의 크기는 제품 박형화를 제한하는 요인이 될 수 있습니다.
튜너 요구 사항에 영향을 미치는 또 다른 추세는 소비자가 동시에 여러 채널을 수신하기를 원한다는 것입니다. 즉, 하나 이상의 튜너가 필요하고 더 많은 공간을 차지하므로 시스템 크기에 영향을 미치고 최종 제품의 튜너 비용이 증가합니다. 크기를 줄이려는 시장 압력과 기타 추세로 인해 실리콘 튜너 설계의 사용이 촉진되었습니다.
3) 수동 튜닝 제거
실리콘 튜너 설계에는 많은 목표가 있습니다. 주요 목표 중 하나는 추적 필터에서 외부 구성 요소를 수동으로 조정할 필요가 없도록 하는 것입니다. 실리콘에는 두 가지 효과가 있습니다. 하나는 대부분의 외부 구성 요소를 제거하면 제외된 주파수 대역에서 원치 않는 RF 에너지를 흡수하고 발산하는 기능도 제거된다는 것입니다. 실리콘 튜너는 LNA 및 믹서에서 혁신적인 회로 설계를 사용하여 트랜지스터를 손상시키지 않고 원치 않는 에너지를 관리해야 합니다.
두 번째 영향은 새로운 RF 아키텍처의 필요성입니다. 초기 실리콘 튜너 설계는 외부 구성 요소를 수동으로 조정하지 않고도 선택성을 제공하는 이중 변환 방법을 채택하려고 했습니다. 첫 번째 변환은 입력 신호의 주파수를 위로 이동합니다. RF SAW 필터는 두 번째로 IF로 변환하기 전에 대역폭을 줄입니다. 필터 장치는 이 디자인의 주요 비용을 나타냅니다.
최근 반도체 공정 제조의 변화를 극복하기 위해 자가교정 기술이 활용되고 있다. 일부는 또한 LO용 고전압 전원 공급 장치와 RF SAW 장치가 필요하지 않습니다. 대신, RF SAW 필터보다 주파수가 훨씬 낮고 비용이 저렴한 장치인 IF 단계의 SAW 필터만 사용합니다.
이러한 디자인을 실리콘으로 구현하려면 고급 반도체 공정 기술이 필요합니다. 칩 공급업체는 일반적으로 디지털 VLSI 구현 프로세스만 특성화합니다. 실리콘 튜너를 구현하려면 RF 성능을 기반으로 프로세스를 특성화해야 합니다. 또한 프로세스에는 올바른 값의 인덕터를 생성하고 낮은 위상 잡음 LO 구현 또는 RF 필터 설계를 위해 충분히 높은 Q를 갖는 방법이 있어야 합니다. 이제 이러한 프로세스를 사용할 수 있습니다.
반도체 공정 외에도 실리콘 튜너에는 신중한 칩 설계가 필요합니다. RF에는 방사 및 전도 간섭에 대한 많은 기회가 있습니다. 단일 칩 실리콘 튜너 설계에서 온칩 신호 라인의 근접성과 회로 기판의 공유는 이를 악화시킵니다. 이 간섭을 제어하려면 중요한 회로를 분리하고 차폐 패턴을 포함하는 레이아웃이 필요합니다. 설계에는 또한 온칩 전력 및 접지 분배 네트워크의 신중한 생성 및 관리가 필요합니다. 또한 설계에는 간섭 신호 경로를 차단하기 위한 온칩 및 오프칩 필터링 구성 요소가 포함되어야 합니다.
이러한 모든 문제가 해결되었으며 실리콘 튜너 장치의 출현으로 제품 설계자는 오래된 튜너 인 어 캔을 제거하는 방법을 만들기 시작했습니다. 위성 및 케이블 수신기는 이 방법을 처음으로 채택했습니다. 각 채널에서 거의 동일한 전력으로 신호를 처리합니다. 이 채널 균일성은 튜너 설계를 약간 단순화하여 초기 실리콘 튜너 장비가 요구 사항을 충족할 수 있도록 합니다.
그러나 지상파 방송 수신은 다양한 채널 전력 레벨에 걸쳐 선택성을 제공할 수 있는 튜너를 사용해야 합니다. 인접 채널의 강한 신호와 관심 있는 약한 채널을 결합할 가능성은 튜너 설계의 선택성에 엄격한 제한을 부과합니다. 최근까지 혁신적인 RF 아키텍처와 개선된 RF 반도체 처리를 통해 실리콘 튜너는 저렴한 비용으로 필요한 성능을 달성할 수 있었습니다.
수동 조정의 필요성을 제거함으로써 이러한 실리콘 튜너는 제조 수율을 높이고 이전 설계보다 더 안정적인 성능을 제공할 수 있습니다. 고전압 전원 공급 장치가 필요하지 않고 소형 구현이 가능하여 휴대용 장치의 요구 사항을 충족합니다. 이러한 속성에 대한 시장의 영향을 고려할 때 실리콘 튜너는 TV 수신기 설계를 전자 산업의 다른 부분과 일치시킬 것으로 예상됩니다.
라비 셰노이([이메일 보호])은 LSI Logic(캘리포니아주 밀피타스 소재)의 아날로그 디렉터이자 RF 기술입니다.
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