HF-Chips Modernes Design von Single-Chip-HF-Empfängern

Silicon Labs
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High-End-HF-Empfangskomponenten mit „gehobenen“ Audioübertragungs-Anforderungen werden für einen sehr leistungsorientierten Markt hergestellt, der ganz spezielle, hochwertige Designs erfordert. Die Niedrig-ZF-Technik, realisiert in Single-Chip-Empfangs-Komponenten, ist dabei ein beachtenswerter Faktor.

Um eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit in hochwertigen Audioanwendungen zu erreichen, verwenden Entwickler oft diskrete Bauelemente. Der Nachteil diskreter Implementierungen ist aber, dass die Kosten relativ hoch sind und dass die Komplexität ein Design-Risiko darstellen kann. Diskret aufgebaute Audiosysteme weisen letztlich auch Schwächen auf, die durch Bauteiltoleranzen, hohe Bauteilanzahl und durch die damit verbundenen hohen Systemkosten und oft auch durch eine geringere Zuverlässigkeit hervorgerufen werden.

Was neue HF-Empfängergenerationen können

Beispielsweise können digitale Niedrig-Zwischenfrequenz-CMOS-AM/FM-Empfänger heute ein sehr hohes Leistungsniveau erreichen und die Mehrzahl ihrer externen Komponenten auf einem einzigen monolithischen IC enthalten. Neben ihrem langjährigen Einsatz in Mobiltelefonen und tragbaren Media-Playern dringen diese Empfänger nun auch vermehrt im OEM-Automotive-Markt vor. Dort sind die Leistungsanforderungen genauso hoch wie im Markt für hochwertige Audio-Konsumelektronik. Diese wachsende Marktakzeptanz digitaler Niedrig-ZF-Technik basiert auf den technischen Errungenschaften, die mit der neuesten Generation von Single-Chip-AM/FM-Empfängern erzielt wurden.

Silicon Labs stellte beispielsweise vor kurzem die digitalen Niedrig-ZF-AM/FM-Empfänger der Si477x-Serie vor, die speziell für den professionellen Audiomarkt entwickelt wurden. Damit werden auch die Anforderungen des Marktes für hochqualitative Audio-/Video-Receiver (AVR) erfüllt. Diese Empfänger-Familie verringert die Systemkosten und die Bauteilanzahl für hochwertige Audioanwendungen bei dennoch hoher technischer HF-Leistungsfähigkeit. Im Folgenden einige technische Details zu diesen Komponenten.

Parameter „Empfindlichkeit“

Die Empfindlichkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines AM/FM-Tuners, schwache Sender empfangen zu können. Dies ist vor allem in abgelegenen Gebieten wichtig, wenn sich der Empfänger in einiger Entfernung von den verfügbaren Sendern befindet. Hochwertige Audioanwendungen fordern heute eine Empfindlichkeit im 1-µV-Bereich. Um eine Empfindlichkeit in diesem Bereich zu erzielen, sind in diskreten Designs externe rauscharme Verstärker (LNA, Low-Noise Amplifier) nötig.

Dieser Ansatz stellt hohe Leistungsanforderungen sowohl an den integrierten CMOS-Empfänger, in dem das HF-Frontend und der LNA gemeinsam auf dem gleichen monolithischen IC integriert sind, wie auch an die schnelle digitale Signalverarbeitung. Der Si477x-Empfänger bietet z.B. –3,5 dBµV an FM-Empfindlichkeit, womit er Signale bis hinab zu 0,7 µV empfangen kann. Diese hohe FM-Empfindlichkeit wird durch einen integrierten LNA ohne externe aktive Bauteile erreicht.

Parameter „Intermodulation dritter Ordnung“ (IP3)

Der Intercept-Punkt dritter Ordnung (IP3) ist ein Qualitätsmesser für die Linearität eines HF-Tuners. Ein höherer IP3-Wert bedeutet letztlich bessere Linearität und geringere Verzerrung. Die ungünstigste Verzerrung ist die Intermodulationsverzerrung dritter Ordnung (IMD3), die durch zwei sehr starke „Blocker“-Sender auftritt, welche frequenzmäßig sehr nahe neben der eigentlich gewünschten Empfangsfrequenz senden. Der FM-Demodulator wird dann sowohl das gewünschte als auch das IMD3-Produkt der Blocker demodulieren (Bild 1). Dies führt zu einem unangenehmen Klang mit unterdurchschnittlicher Dynamik.

Um die IMD3-Verzerrung zu vermeiden, verwenden heutige Audio-Designs ein externes Tracking-Filter im Frontend des Empfängers, um die Blocker zu dämpfen. Dies erhöht jedoch die Systemkosten und die Design-Komplexität. In überfüllten FM-Spektren sind die Blocker meist zu nah an der gewünschten schwachen Station, um sie leicht ausfiltern zu können. Um nun die IMD3-Verzerrung zu minimieren, muss der IP3-Wert des Empfänger-Frontends ausreichend gut sein. Tuner mit niedrigem IP3 erfordern Tracking-Filter mit hoher Güte Q, um die IMD3-Effekte zu verhindern, was zu einem unangenehmen Hörergebnis führen kann.

Der Si477x bietet einen IP3 von 117 dBµV und eine Empfindlichkeit von –3,5 dBµV bei voller HF-Verstärkung. Diese hohe Linearität schützt gegen das Aufkommen von IMD3-Effekten, und das ohne teure externe Filterblöcke.