有效降低功耗的新型机顶盒调谐器设计方案

数字电视和机顶盒这类多媒体产品对调谐器的需求在不断增长，背后的驱动力来自消费者对这些设备提供更多功能和更高性能的期望。
       调谐器的发展目标是减小体积并降低功耗。现在业界研发出了一系列的新型调谐器IC，通过将电源电压从5.0V降低到3.0V来降低功耗，而且又不降低RF性能，甚至还改善了RF性能。这种新一代的RF调谐器IC采用BiCMOS工艺，瞄准高端应用；而采用Bipolar工艺的传统RF调谐器IC则用于低成本的应用。
        近年来，电视领域经历了一些巨大的变化。最明显的就是从模拟到数字电视的变化。传统的阴极射线管(CRT)电视正在被新型的LCD和等离子显示面板所取代。不过市场表明消费者并不愿意为新的高性能技术付出过多的费用。因此，该领域的半导体供应商不得不研发性能更好的新产品，同时还要降低生产成本并保持“环境友好”。
        电视机中电子设计的主要目标是降低功耗和成本，同时增加功能和改善性能。最终，低功率的结果是节省了用来发电所需的化学燃料，从而减少了二氧化碳的排放，进而延缓了全球变暖的进程，而全球变暖目前正是全球普遍讨论的重要话题。除了有利于减轻这些生态问题，消费者对降低能耗的直接感受是节约开支。目前消费者也日益意识到电子产品对环境的影响以及隐性成本问题。许多国家建立了专门的机构以确保生产厂商能够满足功率节省的要求。
        一个此类的机构是能源之星(Energy Star)协会，它是1992年由美国环境保护局(EPA)规划发展的第一个机构，旨在验证和促进能够节省能源的产品。具有能源之星标志的产品具有较低的工作成本并支持环保。当产品获得10%到20%的能量节省时就能达到一定的级别。目前，能源之星协会正在推广宣传，如“如果有一半的美国家庭使用具有能源之星的电视机来替代原有的常规电视机，其结果相当于关闭一座发电厂”；或者“具有能源之星标志的电视机比常规电视机节省30%的能源”，“选择具有能源之星标志的产品，将在不影响产品质量和用户期望的性能条件下，帮助防止全球变暖和促进空气清新”，最后还有“如果今年销售的每台电视机都具有能源之星标志，将减少90亿磅的空气污染”。
        尽管RF调谐器IC的功耗与整套电视机的能耗相比还相当小，但是即便是极小的功率节省也是极有意义的，因为每年有1亿套以上的电视机和机顶盒(STB)的市场需求。例如，如果每套节省仅200mW的能耗，就相当于关闭一座10兆瓦的发电厂。
        在过去几十年中，电视机调谐器的电源电压经历了从12V降到9V，又降到了7.5V。如今，大量的RF调谐器用在模拟电视机中，数字电视和机顶盒的电源电压为5V。最近，英飞凌公司新推出了3种RF调谐器IC，即TUA6041、TUA6045和TUA6039，能够采用5到3.3V的电源电压正常工作。采用3.3V的电源时，经过能源之星协会的确认，这些新型的RF调谐器IC可节省170mW的功耗，同时性能没有任何降低。
        换句话说，不论这些产品是工作在3.3V还是5V，都呈现相同的线性性能。在这些芯片内部，具有电压调节器，将电压恒定保持在3.3V以下，这与传统5V电源的调谐器相比，功耗降低了30%以上。如果在未来三年中，全世界所有(用于电视机和机顶盒)的调谐器模块都采用英飞凌公司的TUA6039，就相当于关闭两座10兆瓦的发电厂，并且如果依据这一期间的电费计算，将为用户节省大约600万美元的费用。
  
          图1：新的OmniTune产品TUA6039/TUA6041/TUA6045在单芯片上集成了完整的射频和中频功能，从而使数字电视调谐器IC产品在不降低性能的基础上向更小和更低成本有效演进。
         这些新型RF调谐器采用了两项新技术。TUA6039采用了真正的双极工艺，特别适合于低成本的固定式应用。TUA6041和TUA6045瞄准的是便携式应用和汽车电视，因此采用了具有更好性能和更低功耗的BiCMOS工艺。这三种调谐器都是高集成度的电视前端设备，包括一个混频器-振荡器-锁相环(MOPLL)和一个AGC放大器，如图2所示。
  
  图2：TUA6041方框图和MOPLL+IF AGC应用
         这三种最新IC都是三波段调谐器，包括了所有主要的RF频段，如VHF-低、VHF-高、UHF以及DAB-L波段1.47GHz(L-band，仅TUA6045/1具有)。这就使得这些调谐器特别适合支持模拟、数字地面和有线电视系统(PAL、SECAM、NTSC、DVB-T/C、ISDB-T、ATSC等)以及音频系统(FM/DAB)的多制式接收机。在经过滤波器和AGC放大器的前级之后，信号将被进一步放大并与锁相环振荡器混频，振荡器中的四引脚UHF振荡器槽路可确保最佳的相位噪声性能。
         目前，英飞凌公司是RF调谐器IC产品的市场领先者，提供MOPLL IC(TUA6034)以及IF AGC放大器(TDA6192)，该放大器在数字电视机中的份额已经达到75%以上。新的系列产品以更低的功耗提供更好的性能，从而允许开发更小的调谐器模块，其结果是更进一步地降低系统成本。一些读者可能会关心是如何使用低电压实现更好性能的。原因是由于半导体工艺技术的不断演进，还有更精巧的电路设计技术。一个实例就是在中频IF级的输出端利用无源器件改善电压降低后的性能。
         TUA6041包括了3个用来校正前级滤波器的数模转换器(ADC)。这就允许模块设计师能够使用纯SMD器件来替代空气线圈。而TUA6041和TUA6045都含有一个DC/DC变换器，并在混频器前面有一个宽带RF检波器，这保证了最佳的线性度，并与频率为4~16MHz的晶体一起，保证了最佳的相位噪声性能。最后，所有这三款IC都集成了完整的MOPLL和中频AGC放大器功能。英飞凌公司提供了上述三种调谐器IC的参考设计，如图3所示。
  
  图3：采用英飞凌器件的调谐器参考设计。参考设计板尺寸大约20mm×20mm
          总之，传统电视机和机顶盒中的调谐器往低电源电压的转变是可行的，在减小体积和降低系统成本的同时可以不牺牲性能。有几家业界领先的RF模块生产商已经开始应用3.3V电源，而且有更多的厂商期望采用，最终这将有益于消费者，最重要的是将有益于我们生存的未来全球环境。