Новые однокристальные телевизионные микросхемы

Новые однокристальные телевизионные приёмники дают значительный выигрыш в стоимости, габаритах и потреблении по сравнению с аналогичными системами на дискретных компонентах.
    Благодаря появлению новых однокристальных тюнеров стало возможным встретить телевизионные приёмники в самых неожиданных местах. Разработанные компанией Microtune (Пьяно, штат Техас) микросхемы серии MicroTuner MT2000 и MT2500 представляют собой нечто большее, чем просто кремниевая реализация классического телевизионного тюнера метрового и дециметрового диапазонов с одним преобразованием. Предназначенные для приёма спутниковых, вещательных и кабельных телевизионных каналов, микросхемы на биполярных комплементарных МОП транзисторах (BiCMOS) имеют архитектуру с двойным преобразованием частоты и высокостабильным синтезатором частоты, а поэтому по своим параметрам могут конкурировать с наиболее сложными телевизионными приставками. Полоса пропускания, избирательность, коэффициент шума и другие параметры, обеспечиваемые этими микросхемами, весьма существенны для видеоаппаратуры следующего поколения, которая будет работать с цифровыми и аналоговыми телевизионными сигналами в условиях всё возрастающей загруженности спектра.
    Производители телевизионных приставок обязательно оценят выигрыш в стоимости и характеристиках, предлагаемый устройствами серии MT. Возможность обработки всего спектра аналоговых и цифровых телевизионных каналов позволяет объединить в одном выносном устройстве приёмник кабельного и спутникового телевидения, а также кабельный модем.

Новые возможности

Помимо улучшенных параметров и пониженной стоимости для обычных телевизоров, видеомагнитофонов, кабельных и спутниковых телевизионных приставок, использование микросхем серии MicroTuner открывает перед производителями аппаратуры ряд новых возможностей. Малые габариты и низкая потребляемая мощность позволят добавить возможность приёма телевизионных сигналов карманными и портативными компьютерами, а также другими малогабаритными устройствами. На рис. 1 изображён предполагаемый вид устройств, таких как знаменитые наручные часы с телевизором а-ля Дик Трейси, карманный телевизор размером с визитную карточку и, конечно, очки со встроенными телеэкранами.

Рис. 1. До настоящего времени большинство телевизионных тюнеров представляли собой устройство из большого числа дискретных элементов. Семейство новых тюнеров производства компании MICROTUNE объединяет свои функции всего в одной микросхеме. Экономичность, низкая стоимость и малые габариты, предлагаемые этими устройствами, открывают новые возможности их применения

По мнению Джима Фонтейна, исполнительного вице-президента по продажам и маркетингу компании Microtune, их компактные и экономичные приёмники позволят строить приборы, аналогичные беспроводным сетевым модемам, которые будут принимать передаваемые в цифровой форме потоки Internet данных из подканалов, встроенных в новые широкополосные цифровые телевизионные сигналы. Соучредитель и главный инженер компании Джон Норсворти заявил, что такими приёмниками могли бы быть оснащены карманные компьютеры и PDA (персональный цифровой секретарь), что позволило бы им принимать телепередачи, обеспечивая пользователей свежими новостями, частными сообщениями, финансовой или любой другой информа-цией. Коммерческая реализация такого рода устройств стала возможна только теперь с появлением новых дешёвых, экономичных и малогабаритных однокристальных TV тюнеров.

Законченный встраиваемый блок

Несмотря на давнюю известность, такие устройства до сих пор были непрактичны как с технической, так и с экономической точки зрения. Это связано с тем, что традиционные канальные тюнеры, которые можно найти практически в любом предлагаемом на продажу чипсете, сегодня представляют собой исчезающий пережиток доинтегральной эры. Приступив к созданию, казалось бы, очевидной и простой вещи, разработчики серии MicroTuner вскоре обнаружили, что сложная взаимосвязь исторических и технологических предпосылок препятствует реализации законченного встраиваемого блока, необходимого для получения полностью интегрального решения.
    Телевидение появилось почти пятьдесят лет назад. Сейчас трудно решить, что более впечатляет — изменения, произошедшие в этой отрасли за прошедшие полвека, или то, что практически не изменилось. Большинство элементов современного телевизионного приёмника на интегральных микросхемах очень сильно отличается от своих коллег из транзисторного или лампового телевизора. По сути своей, они выполняют те же самые функции обработки принимаемого сигнала, что и в 50-х годах, когда цветное вещание только-только появилось. Принцип работы высокочастотного тюнера также остался неизменным.
    До недавнего времени объединение функций преобразования и фильтрации высокочастотных сигналов было довольно проблематичным. Требование обеспечения широкой полосы пропускания, а также наличие некоторых других технических требований, заставили инженеров разрабатывать компактные и недорогие устройства на дискретных элементах. Несмотря на то, что тюнеры с одним преобразованием частоты работали достаточно хорошо в большинстве обычных приложений, они не были лишены недостатков. Для достижения минимально возможной стоимости, в их входном тракте стали использовать перестраиваемый полосовой фильтр. Такие фильтры реализуются с использованием большого числа дискретных элементов и требуют сложной настройки в процессе изготовления.
    Кроме того, из-за необходимости перемещения амплитудно-частотной характеристики полосового фильтра по всему диапазону при выборе различных каналов, конечные характеристики таких тюнеров были далеко не идеальны. В результате — плохое подавление зеркального канала приёма и низкая избирательность по соседнему каналу. У таких тюнеров был заметен значительный дрейф параметров, связанный с механическими ударами, тепловыми эффектами, общим старением и даже накоплением пыли на открытых катушках индуктивности.
    Другим недостатком систем с одним преобразованием частоты было то, что их характеристики не были одинаковы во всём вещательном диапазоне. Их относительно узкий частотный диапазон с достаточно хорошими характеристиками, как правило, настраивается так, чтобы оптимизировать приём хотя бы в метровом диапазоне. Таким образом, получаются приемлемые параметры в верхнем участке метрового диапазона и весьма скромные параметры в дециметровом диапазоне.
    Со всеми этими недостатками приходилось мириться, так как полученные устройства были достаточно дешевы. Кроме того, их параметры были вполне достаточны для использования в обычных бытовых телевизионных приёмниках и видеомагнитофонах. Фактически, первоначальные правила построения вещательных сетей давали некоторую компенсацию плохому подавлению соседнего канала приёма, разрешая использовать в данном регионе каждый второй канал и создавая, тем самым, больший частотный разнос между рабочими каналами.
    В ближайшем будущем Федеральная комиссия по средствам связи США (FCC) планирует снять это ограничение и разрешить одновременное использование цифровых и аналоговых телевизионных сигналов на смежных участках полосы пропускания. Это задумано для того, чтобы не причинять существенных неприятностей владельцам приёмников старого образца с плохой селективностью, не позволяющей эффективно подавлять близко расположенные соседние каналы.
    Традиционные телевизионные тюнеры также испытывают проблемы в случае, когда они используют кабельный канал совместно с другим оборудованием, например, кабельными модемами, цифровыми телевизорами или другими аналоговыми телевизорами. Дешёвые пассивные смесители, используемые в преобразователе канального тюнера, печально известны из-за большого количества порождаемых и излучаемых паразитных продуктов преобразования. Попадая в 50-Ом коаксиальный кабель, эти продукты почти без потерь поступают на другое оборудование, и даже проникают в кабельную сеть. Все это может стать причиной появления помех в соседних телевизорах и потерь данных в кабельных модемах. Если мощность излучаемых помех достаточно высока, то они могут интерферировать с цифровыми телевизионными сигналами, использующими QAM модуляцию, делая их нераспознаваемыми.
    Стандартной альтернативой описанным системам являются более дорогие системы с двойным преобразованием частоты. В общем случае, построенные из малогабаритных интегральных микросхем и дискретных элементов, такие тюнеры обеспечивают более высокую селективность и лучшее качество сигнала, что необходимо для выносных приставок кабельного и спутникового телевидения, а также других приложений с близко расположенными соседними каналами. Важность этих устройств значительно вырастет после введения цифрового телевидения, включающего функции высокой чётко-сти (HDTV) и многоканальной рассылки сообщений. В этих новых условиях телевизоры и видеомагнитофоны должны точно принимать и дискриминировать плотно расположенные по спектру аналоговые и цифровые сигналы, передаваемые многоканальными вещательными и кабельными телевизионными системами.
    Несмотря на улучшенные общие характеристики, тюнеры с двойным преобразованием частоты имеют некоторые специфические проблемы, требующие более пристального внимания. Во-первых, они имеют меньший динамический диапазон, что не позволяет им принимать очень слабые сигналы телевизионного вещания. Во-вторых, они имеют коэффициент шума и уровень фазовых шумов несколько больший, чем системы с одним преобразованием частоты, что может стать серьёзной проблемой при приёме цифровых сигналов.
    Все эти проблемы, а также многие другие, были тщательно исследованы командой разработчиков компании Microtune, так как они поставили перед собой задачу создать жизнеспособную альтернативу существующим технологиям производства телевизионных тюнеров. Используя некоторый опыт разработки цифровых и аналоговых полупроводниковых микросхем, идеи компании MicroTuner постепенно стали приобретать желаемую форму. Для того, чтобы осознать глубокие тех-нические корни, на которых вырос новый однокристальный тюнер, достаточно оценить высококачественный технологический ВiCMOS процесс, заимствованный из кремниевых мастерских компании IBM.

Однокристальный тюнер

Результатом долгой и кропотливой работы стали две микросхемы, ставшие первыми устройствами большого семейства передовых телевизионных интегральных схем. Первая из них, уже запущенная в массовое производство, — MT2000 представляет собой полнофунк-циональный однокристальный тюнер. Полностью кремниевое устройство объединяет в себе все функции телевизионного тюнера вплоть до выхода промежуточной частоты и может использоваться в обычных аналоговых или цифровых телевизорах. Вскоре после выпуска микросхемы MT2000 компания Microtune планирует представить на суд общественности своё второе изделие — микросхему MT2500. По заявлению весьма оптимистично настроенных представителей компании, серийный выпуск устройства MT2500, представляющего собой полный телевизионный тюнер/приёмник, начнётся в конце этого года. Являясь продолжением микросхемы MT2000, новое изделие ставит перед собой цель дальнейшего снижения числа элементов, необходимых для построения как аналоговых, так и цифровых телевизоров.
    На рис. 2 представлена структурная схема широкополосного телевизионного тюнера MT2000 с диапазоном входных частот от 50 до 860 МГц, а также видеодетектора сигналов NTSC и ЧМ демодулятора звукового канала. Микросхема включает малошумящий усилитель с регулируемым усилением, первый и второй смесители и синтезатор частоты. Уровень фазовых шумов устройства составляет -85 дБс на отстройке 10 кГц, а уровень продуктов преобразования третьего порядка (CTB) — не более чем -57 дБс при присутствии на входе 100 каналов с уровнями 15 дБмВ (-32 дБм на нагрузке 50 Ом). Микросхема имеет максимальный коэффициент шума 8 дБ и уровень перекрёстной модуляции 1% при максимально допустимом входном сигнале 30 дБмВ (-17 дБм на нагрузке 50 Ом). Благодаря этим впечатляющим техническим характеристикам, микросхема MT2000 собирается найти свой собственный путь в различные системы промышленного и бытового телевидения, включая широковещательные и кабельные, аналоговые и цифровые телевизионные приёмники.
    Входной малошумящий усилитель с переменным коэффициентом передачи обеспечивает устройству широкий динамический диапазон, тем самым разрешая подавать сигналы на вход микросхемы непосредственно с антенны, гибридной волоконно-кабельной линии (HFC) или обычной кабельной сети без использования внешнего перестраиваемого фильтра. Высокое подавление зеркального канала приёма и выбор принимаемого канала осуществляется с помощью преобразования вверх на первом смесителе и фильтрации на внешнем фильтре ПЧ шириной 15 МГц, связанным затем со встроенным вторым смесителем с подавлением своего зеркального канала.
    Мощный первый смеситель микросхемы MicroTuner реализует преобразование спектра вверх на первую частоту ПЧ, равную 1 ГГц, где сигналы фильтруются внешним фильтром ПЧ. Этот фильтр не требует никакой ручной регулировки и обеспечивает высокие характерис-тики при весьма малой стоимости. Основной функцией первого фильтра ПЧ является ограничение спектра сигналов на выходе МШУ и первого смесителя с целью снижения суммарной мощности сигналов на входе второго смесителя. Простой двухполюсный керамический первый фильтр ПЧ совместно со вторым смесителем со встроенным подавлением зеркального канала позволяют получить суммарное подавление зеркальных каналов тюнера не хуже 65 дБ во всем диапазоне входных частот.
    Второй смеситель делает преобразование вниз на вторую промежуточную частоту. Правильную работу смесителей обеспечивают гетеродины (LO1 и LO2). Синтезированные гетеродины производят весь набор частот, необходимый для приёма любого сигнала из диапазона входных частот, с использованием только одного внешнего кварцевого резонатора, обеспечивающего разрешающую способность по частоте 62,5 кГц. Уровень фазовых шумов микросхемы составляет -85 дБс на отстройке 10 кГц, что достаточно для приёма аналоговых и цифровых телевизионных сигналов различных систем.

Рис. 2. Часть структурной схемы показывает функции, реализуемые микросхемой МТ2000. Другая микросхема МТ2500 представляет собой полный телевизионный тюнер/приемник, включающий все функции, необходимые для получения полного видеосигнала и комплексного сигнала звукового сопровождения

В микросхеме MT2000 обработка сигнала на этом заканчивается, и он выводится наружу. В микросхеме MT2500 сигнал проходит через второй внешний фильтр ПЧ и возвращается в схему для последующей обработки. Построенная на базе MT2000, микросхема MT2500 имеет полную схему синхронного демодулятора с восстановлением несущей, схему АРУ, АПЧ, а также отдельный звуковой тракт, включающий усилитель-ограничитель ПЧ звука и ЧМ детектор (рис. 2). После преобразования вниз на вторую ПЧ, равную стандартному значению 44 МГц, телевизионный сигнал классически обрабатывается и детектируется. Импульсная система автоматической регулировки усиления (АРУ) обеспечивает постоянный уровень выходного видеосигнала. Детектирование ЧМ сигнала звукового сопровождения осуществляется с использованием выполненной на кристалле линией задержки. Благодаря этому отпадает необ-ходимость использования крупногабаритного и дорогостоящего внешнего ЧМ детектора.
    Второй фильтр ПЧ представляет собой стандартный телевизионный фильтр ПЧ на частоту 44 МГц. Усилитель ПЧ имеет регулируемое усиление. АРУ применяется между усилителем ПЧ и малошумящим усилителем (VLNA). Глубина регулировки АРУ микросхемы MicroTuner составляет 96 дБ. Видеодетектор содержит схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая захватывает видеонесущую и вырабатывает два сигнала: один синфазный (фазовый сдвиг 0°), другой квадратурный (фазовый сдвиг 90°). Синфазный сигнал используется для демодуляции видеосигнала, а квадратурный — для демодуляции сигнала звукового сопровождения.
    Далее по видеотракту продетектированный видеосигнал очищается фильтром от составляющих звукового сигнала, а затем шумовой амплитудный ограничитель очищает его от импульсных помех. Сигнал на выходе микросхемы представляет собой полный видеосигнал с шириной спектра 4,2 МГц. Схема АРУ оценивает амплитуду сигнала на выходе видеодетектора и управляет усилением тракта ПЧ. Звуковой тракт состоит из преобразователя вниз и режекторного фильтра, подавляющего сигнал изображения. Интегральный стационарный самонастраивающийся фильтр работает как звуковой. Далее ЧМ демодулятор вырабатывает комплексный сигнал звукового сопровождения, который поступает на выход микросхемы.
    Полное управление микросхемой MicroTuner осуществляется через стандартный последовательный интерфейс, совместимый с шиной I2C. Применение этого промышленного стандарта и малая мощность последовательной шины позволяют производить эхо-считывание содержимого всех статусных регистров микросхемы, а значит, программировать её, там самым обеспечивая настройку на определённый канал.

Преимущества и возможности применения

Теперь, когда сложная задача интеграции тюнера выполнена, стало возможным обрисовать преимущества, которые получат как производители телевизионной аппаратуры, так и её потребители. Поскольку для нормальной работы микросхема MicroTuner не использует никаких подстраиваемых катушек индуктивности, такой тюнер не требует механической настройки, калибровки или какого-либо иного человеческого вмешательства. Это позволяет значительно повысить надёжность и повторяемость устройства, одновременно со значительным сокращением количества применяемых элементов и производственных затрат.
    Другая причина гордости разработчиков микросхемы — широкий диапазон приложений, где возможно её применение. Впервые стало возможным использовать единственную микросхему, чтобы удовлетворить противоречивые требования, предъявляемые к вещательным, кабельным и спутниковым приёмникам и аналоговых, и цифровых телевизионных сигналов. Таким образом, производители аппаратуры смогут предложить потребителям “честные” кабельные приёмники. Существующие сегодня кабельные приёмники производят такое большое количество помех и шумов, что не позволяют максимально использовать возможности кабельных сетей. По мнению разработчиков микросхемы MicroTuner, их детище сможет без особого труда удовлетворить эти до-статочно строгие технические требования.
    Возможно, скоро мы встретим технологию микросхем MicroTuner в устройствах следующего поколения, о которых сейчас даже не мечтаем. Быть может, мы уже на пороге эры телевизоров в наручных часах, как у Дика Трейси.

Цены и доступность

Единичные образцы микросхемы MicroTuner MT2000 доступны уже сейчас, а во второй половине этого года начнется её массовое производство. Тогда же станут доступными отдельные образцы тюнера/приёмника MT2500, а к концу года начнется его серийный выпуск. Стоимость микросхем при покупке партии 10000 штук по предварительным оценкам составит для MT2000 $19,95, для MT2500 — $29,95 за штуку.

Electronic Design, январь 1999 г.
Перевод Ю. Потапова