Stromsparender HF-Tuner für Fernseher und Settop-Boxen

Der Bedarf an HF-Tuner-Elektronik in multimedialen Lifestyle-Produkten, zum Beispiel digitales Fernsehen und Settop-Boxen (STB), wächst stetig. Gleichzeitig fordert der Konsument eine größere Funktionsvielfalt, eine höhere Leistungsfähigkeit und die Möglichkeit, TV-Signale mit unterschiedlichen Standards empfangen zu können.

Der Bedarf an HF-Tuner-Elektronik in multimedialen Lifestyle-Produkten, zum Beispiel digitales Fernsehen und Settop-Boxen (STB), wächst stetig. Gleichzeitig fordert der Konsument eine größere Funktionsvielfalt, eine höhere Leistungsfähigkeit und die Möglichkeit, TV-Signale mit unterschiedlichen Standards empfangen zu können.

Konzept- und Entwicklungsingenieure arbeiten deshalb ständig daran, dieses Anforderungsprofil zu befriedigen. Infineon hat sich zusätzlich zum Ziel gesetzt, einen starken Fokus auf die Entwicklung von Produkten zu legen, die mit niedrigeren Betriebsspannungen arbeiten, was sich direkt positiv auf die »Energieeffizienz« auswirkt.

Vor diesem Hintergrund wurde eine neue Produktlinie von HF-Tuner-ICs entwickelt, die sich durch eine verringerte Leistungsaufnahme auszeichnet. Dazu wurde die Versorgungsspannung von 5,0 auf 3,3 V gesenkt, gleichzeitig die HF-Performance aber beibehalten, wenn nicht sogar verbessert. Auf den neuen Low-Power-OmniTune TUA6039-, TUA6041- und TUA6045 HF-Tuner-ICs sind die vollständigen HF- (Hochfrequenz) und ZF-Funktionen (Zwischenfrequenz) auf einem einzigen Chip integriert.

Mehrere Institutionen wurden etabliert, um Unternehmen zu zertifizieren, die das Kriterium »Stromsparen« erfüllen. Eine davon ist Energy Star (www.energystar.gov). Dieses Institut folgt einem Programm, das ursprünglich 1992 von der amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA (Environmental Protection Agency) entwickelt wurde, und das eine Methode festlegt, energieeffiziente Produkte zu identifizieren und zu fördern. Produkte, die das Energy-Star-Symbol tragen, zeichnen sich durch geringere Betriebskosten und durch Umweltverträglichkeit aus. Die einschlägige Klassifizierung wird erreicht, wenn ein Produkt 10 bis 20 Prozent des Energiebedarfs einspart.

Über die letzten Dekaden haben die Hersteller von Fernsehempfangsgeräten die benötigte Betriebsspannung von 12 auf 9 V und dann weiter auf 7,5 V gesenkt. Heute arbeiten die meisten HF-Tuner in analogen oder digitalen Fernsehern sowie STBs bei 5 V. In der neuesten Entwicklung der TUA6041, TUA6045 und TUA6039 von Infineon wurde die benötigte Versorgungsspannung abermals reduziert, indem das einen Regler integriert ist, der die Spannung konstant auf einem Niveau von 3,3 V hält. Ein Betrieb bei 3,3 V bedeutet, dass die neuen HF-Tuner eine Energieeinsparung von über 30 Prozent (170 mW) gegenüber einer 5-V-Technologie zulassen. Somit hat dieser technologische Durchbruch das Kriterium erfüllt, das von Institutionen wie Energy Star gefordert wird, während keinerlei Leistungseinbusen aufgrund der verringerten Spannung in Kauf genommen werden müssen. Mit anderen Worten: Diese Produkte weisen die gleichen Ergebnisse in der Linearität auf, egal ob sie an 3,3 oder 5 Volt arbeiten. Was bedeutet dieser technologische Fortschritt für die Umwelt. Wenn innerhalb der nächsten drei Jahre alle Tuner in jedem Fernseher oder jeder Settop-Box weltweit mit dem TUA6039 ausgestattet würden, könnte soviel Energie gespart werden, wie zwei 10-MW-Kraftwerke liefern. Das heißt gleichzeitig, dass die Konsumenten rund 6 Mio. US-Dollar an Elektrizitätskosten während dieser Zeit sparen könnten.

Die neue HF-Tuner-Serie basiert auf zwei neuen Technologien. Der TUA6039 wurde in einer reinen Bipolar-Prozesstechnik entwickelt und eignet sich hervorragend für stationäre Anwendungen, in denen niedrige Kosten entscheidend sind. Die TUA6041- und TUA6045-ICs zielen auf portable Anwendungen und auf das Fernsehen im Auto. Deshalb wurden diese ICs in einem BiCMOS-Prozess entwickelt. Damit ist eine niedrigere Leistungsaufnahme bei höherer Leistung möglich. Alle drei Tuner-ICs stellen hoch integrierte TV-Frontends dar, einschließlich der wesentlichen IC Blöcke wie Mischer, Oszillator und einer PLL (Phase Locked Loop) und einem AGC-Verstärker (Automatic Gain Control) (siehe Bild 1).

Diese neuen ICs sind 3-Band-Tuner, die alle wichtigen HF-Frequenzbänder abdecken, wie zum Beispiel VHF-low-, VHF-high-, UHF- sowie DAB-L-Band 1,47 GHz (L-Band nur im TUA6045/1). Deshalb eignen sich die ICs besonders für Multi-Standard-Receiver, die analoge, digital terrestrische, Kabel-TV- (PAL, SECAM, NTSC, DVB-T/C, ISDB-T, ATSC usw.) sowie Audio-Systeme (FM/DAB) unterstützen. Im Tuner nach der Filterung und der AGC-Vorverstärkung wird das empfangene HF-Signal weiter verstärkt und mit einem PLL-gesteuerten Oszillator gemischt, in dem ein 4-Pin-UHF-Oszillator das bestmögliche Phasenrauschen sichert.

Der TUA6039 ist das Nachfolgemodell des MOPLL-ICs (TUA6034) zusammen mit dem ZF-AGC-Verstärker (TDA6192), die in mehr als 75 Prozent aller digital-terrestrischen Fernsehanwendungen zu finden sind. Die neuen Single-Chip-ICs zeichnen sich nicht nur durch eine höhere Leistungsfähigkeit bei verringerter Leistungsaufnahme aus, sondern sie ermöglichen auch die Entwicklung von kleineren Tuner-Modulen, was sich wiederum in einer weiteren Senkungen der gesamten Systemkosten bemerkbar macht. Aber wie ist eine höhere Leistungsfähigkeit bei niedrigerer Spannung möglich? Die anhaltende Verbesserung der Halbleitertechnologie und ausgeklügelte Schaltungs-Design-Techniken sind wichtige Faktoren für diese Verbesserungen. Ein gutes Beispiel stellt die Implementierung eines zusätzlichen und besseren ZF-Filters mit wenigen passiven Komponenten dar, das die Tuner-Performance Hand in Hand mit einer Spannungsreduzierung verbessert.

Der TUA6041 verfügt über drei D/A-Wandler (DAC), die benutzt werden können, um eine Vorstufenfilterung zu realisieren. Daher können Modul-Designer Luftspulen mit reinen SMD-Komponenten ersetzen. Sowohl der TUA6041 als auch der TUA6045 sind mit einer DC/DC-Wandlerschaltung ausgestattet. Vor dem Mixer sitzt ein breitbandiger HF-Detektor. Dadurch sind eine bessere Linearitätsoptimierung und der Betrieb mit Quarzfrequenzen zwischen 4 und 16 MHz für ein minimales Phasenrauschen möglich. Schließlich enthalten alle drei ICs die vollständigen MOPLL- und ZF-AGC-Verstärkerfunktionen. Infineon stellt außerdem für alle Tuner-ICs Referenz-Designs zur Verfügung, ein Beispiel zeigt Bild 2.

Die technische Entwicklung in Richtung Low-Power-HF-Tuner für konventionelle Fernseh- und STB-Anwendungen ist bereits heute gegenwärtig; allerdings unter der Voraussetzung, dass die Leistungsfähigkeit nicht darunter leidet und gleichzeitig die Modulgröße verringert und die Systemkosten gesenkt werden. Diverse führende Hersteller von HF-Modulen haben bereits damit begonnen, eine 3,3-V-Spannungsversorgung einzusetzen. Es ist davon auszugehen, dass sich noch andere dieser Initiative anschließen werden, was letztlich dem Konsumenten zugute kommt und - noch viel wichtiger – auch unserer Umwelt.

Giuseppe Calarco, Vice President und General Manager des TV-Receiver Geschäfts innerhalb der Communication Solutions Business Group der Infineon Technologies AG