電視、錄像機、機頂盒和寬帶有線接收器都有一個共同的元素：調諧器。 儘管這些設備中的所有其他電子元件都隨著半導體技術的縮小而縮小，但消費類應用通常使用巨大的“調諧器罐”來實現這一關鍵功能。 對調諧器設計具有挑戰性的限制是這項技術持續存在的原因，但市場力量正在將矽調諧器推向最前沿。
調諧器設計者必須克服許多挑戰。 廣播電視和有線應用中的輸入信號位於48 MHz至861 MHz頻段，信號強度可能具有較寬的動態範圍。 例如，在廣播電視應用中，要選擇的信號可能有相鄰的不想要的頻道，其信號強度超過 100 倍。
典型的調諧器設計使用單轉換接收器架構，但其他架構也是可能的。 單變頻調諧器的結構包括預選濾波器、低噪聲放大器（LNA）、下變頻器和中頻（IF）放大器。
1. 矽調諧器設計的限制
1) 預選過濾器跟踪
預選濾波器採用全頻信號頻帶並將其降低到包含感興趣頻道的較小頻帶。 鑑於信道的頻率範圍很寬，這意味著預選濾波器必須是一個跟踪帶通濾波器，其中心頻率可以在整個信號頻譜範圍內變化。 具有 RF 自動增益控制功能的 LNA 通常跟隨一個預選的濾波器。
下變頻器階段是傳統理論上是外差系統。 下變頻器設計有通道選擇，這涉及調整本地振盪器 (LO)，使其頻率與感興趣的信號之間的差異落入 IF 濾波器的帶通範圍內。 這個階段使用高性能、窄帶、固定頻率的濾波器——通常是表面聲波 (SAW) 設備——通過選擇和排除所有其他選項。 之後是具有可變增益控制的 IF 放大器，允許系統將所選信號的強度與調諧器驅動的解調和檢測電路的需求相匹配。
考慮到輸入信號的頻率和信號強度範圍很寬，使用這種架構來生成性能良好的調諧器會帶來很多挑戰。 一種是預選過濾器。 為了覆蓋整個信號帶寬，典型的廣播電視調諧器實施需要濾波器在三個不同的頻段運行：VHF（甚高頻）、48 至 88 MHz； 中型甚高頻，174 至 216 MHz； 以及 470 至 861 MHz 的 UHF（超高頻）。 一種常見的實現是使用單獨的過濾器，每個過濾器一個。
2) 多頻段操作
預選濾波器選擇工作頻段，但可能仍需要實現跟踪濾波器以提供所需的選擇性。 跟踪濾波器必須保持相對固定的帶寬，儘管中心頻率可以在許多倍頻程內變化。 這種濾波器的實現通常需要大量的無源元件，例如電感器，必須在工廠中手動調諧以獲得適當的性能。 這種對無源元件和手動調諧的需求大大增加了調諧器的尺寸和成本。 一個典型的調諧器可以測量 2.5 x 2 x 0.75 英寸。
然而，預選濾波器並不是唯一面臨設計挑戰的組件。 下變頻器中的 LO 還必須處理很寬的頻率範圍。 預選濾波器只會降低輸入信號的帶寬。 感興趣的信號可能仍會落在 48 到 861 MHz 範圍內的任何位置，並且 LO 必須基本上覆蓋這個範圍。 此外，LO 必須表現出低近距離相位噪聲，否則 DTV 頻道接收將受到影響。 集成電路振盪器實現了無法調諧的如此寬的頻率範圍，同時使用當今電子系統的典型 3 伏電源電壓表現出低相位噪聲。 可能需要高達 30 V 的電源。
為了滿足所有這些性能要求，大多數供應商選擇保留傳統的 TV 和 VCR 調諧器設計，儘管它們的成本和尺寸不同。 但市場壓力開始迫使變革。 其中一個要素是美國聯邦通信委員會的授權，即在美國銷售的所有電視都開始使用能夠接收數字電視廣播的調諧器。 該任務迫使供應商改變其產品的基本結構，為調諧器設計的創新創造機會。
便攜式娛樂市場需求的增長也推動了調諧器設計的變化。 便攜式是指電池供電或手持設備，並禁止在 LO 實現中使用高電壓。 此外，便攜式設備需要比典型調諧器小得多的實現。 在不斷增長的平板顯示器/電視市場中，小尺寸也很重要。 在平板設計中，調諧器的尺寸可能是產品減薄的限制因素。
影響調諧器要求的另一個趨勢是消費者希望同時接收多個頻道。 這意味著需要多個調諧器，佔用更多空間，從而影響系統尺寸並增加最終產品的調諧器成本。 減小尺寸和其他趨勢的市場壓力促進了矽調諧器設計的使用。
3) 消除手動調諧
矽調諧器設計有很多目標。 主要目標之一是無需手動調整跟踪濾波器中的外部組件。 矽有兩種效應。 一是消除大多數外部元件也消除了它們從排除的頻段吸收和耗散不需要的 RF 能量的能力。 矽調諧器必須在 LNA 和混頻器中使用創新的電路設計，以在不損壞晶體管的情況下管理不需要的能量。
第二個影響是需要新的 RF 架構。 早期的矽調諧器設計嘗試採用雙轉換方法，無需手動調整外部組件即可提供選擇性。 第一次轉換向上移動輸入信號的頻率。 RF SAW 濾波器在第二次轉換為 IF 之前降低帶寬。 過濾器設備代表了這種設計的主要成本。
最近，自校準技術被用來克服半導體工藝製造的變化。 有些還消除了對 LO 高壓電源的需求和對 RF SAW 設備的需求。 相反，它們僅在 IF 級使用 SAW 濾波器，與 RF SAW 濾波器相比，它的頻率要低得多，而且成本更低。
在矽中實現這些設計需要先進的半導體工藝技術。 芯片供應商通常只描述其數字 VLSI 實施的過程。 要實現矽調諧器，必鬚根據射頻性能對工藝進行表徵。 此外，該過程必須有一種方法來創建正確值的電感器，並具有足夠高的 Q 值，以實現低相位噪聲 LO 實施或 RF 濾波器設計。 現在可以使用這樣的過程。
除了半導體工藝，矽調諧器還需要仔細的芯片設計。 RF 有很多機會產生輻射和傳導干擾。 在單芯片矽調諧器設計中，片上信號線的靠近和電路基板的共享加劇了這種情況。 控制這種干擾需要將關鍵電路分開並包括屏蔽圖案的佈局。 該設計還需要仔細創建和管理片上電源和地面配電網絡。 此外，設計必須包括片上和片外濾波組件以中斷干擾信號路徑。
所有這些問題都得到了解決，隨著矽調諧器設備的出現，產品設計人員開始想方設法擺脫舊的調諧器。 衛星和有線接收器是最先採用這種方法的。 它們在每個通道中以大致相同的功率處理信號。 這種通道均勻性稍微簡化了調諧器設計，使早期的矽調諧器設備能夠滿足要求。
然而，地面廣播接收必須使用可以在很寬的頻道功率電平範圍內提供選擇性的調諧器。 將相鄰信道中的強信號與感興趣的弱信道相結合的可能性對調諧器設計的選擇性施加了嚴格的限制。 直到最近，創新的 RF 架構和改進的 RF 半導體工藝使矽調諧器能夠以低成本實現所需的性能。
通過消除手動調整的需要，這些矽調諧器可以提高製造產量並提供比舊設計更可靠的性能。 它們通過消除對高壓電源的需求並允許緊湊的實現來滿足便攜式設備的需求。 鑑於市場對這些屬性的影響，矽調諧器有望使電視接收器設計與電子行業的其他部分保持一致。
拉維·謝諾伊 ([電子郵件保護]) 是 LSI Logic (Milpitas, California) 的模擬導向器和 RF 技術。
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