深入解析TRF7963A：13.56-MHz RFID讀寫器IC的卓越之選

在當(dāng)今的電子科技領(lǐng)域，RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)憑借其高效、便捷的特性，在眾多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。而TI（德州儀器）推出的TRF7963A，作為一款完全集成的13.56-MHz RFID讀寫器IC，無(wú)疑是該領(lǐng)域的一顆璀璨明星。今天，我們就來(lái)深入剖析這款芯片，探討它的特性、應(yīng)用以及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：TRF7963ARHBT.pdf

一、TRF7963A概述

TRF7963A是一款集成了模擬前端（AFE）和數(shù)據(jù)成幀功能的芯片，專為支持ISO/IEC 14443 A和B以及索尼FeliCa標(biāo)準(zhǔn)的13.56-MHz RFID讀寫器系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。它內(nèi)置了豐富的編程選項(xiàng)，適用于各種近距離識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用。

1.1 特性亮點(diǎn)

• 全面的協(xié)議支持：能夠完全集成處理ISO/IEC 14443 A和B、NFC論壇設(shè)備類型1至4以及FeliCa協(xié)議，為不同標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。
• 雙接收器架構(gòu)：配備RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）功能，可有效消除“讀取盲區(qū)”，并能檢測(cè)相鄰讀寫器系統(tǒng)或環(huán)境帶內(nèi)噪聲，大大提高了通信的穩(wěn)定性和可靠性。
• 超低功耗設(shè)計(jì)：具備可編程電源模式，在掉電模式下功耗低于0.5μA，非常適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 寬輸入電壓范圍：支持2.7 VDC至5.5 VDC的輸入電壓，增強(qiáng)了芯片的適應(yīng)性。
• 可編程輸出功率：提供+20 dBm（100 mW）或+23 dBm（200 mW）兩種可選輸出功率，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。
• 豐富的接口選項(xiàng)：支持并行或SPI接口，方便與不同的微控制器進(jìn)行通信。同時(shí)，可編程I/O電壓電平范圍為1.8 VDC至5.5 VDC，進(jìn)一步提高了接口的兼容性。
• 集成電壓調(diào)節(jié)器：可為微控制器提供穩(wěn)定的電源，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
• 可編程系統(tǒng)時(shí)鐘頻率輸出：可選擇RF、RF/2、RF/4三種時(shí)鐘頻率輸出，滿足不同系統(tǒng)的時(shí)鐘需求。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為–25°C至85°C，適用于各種惡劣的工作環(huán)境。
• 小巧封裝：采用32引腳QFN封裝（5 mm × 5 mm），節(jié)省了電路板空間。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

TRF7963A的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了安全訪問(wèn)控制、交通票務(wù)、數(shù)字門鎖、活動(dòng)票務(wù)、醫(yī)療系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。其強(qiáng)大的功能和穩(wěn)定的性能，為這些應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

2.1 電源供應(yīng)

TRF7963A的正電源輸入VIN（引腳2）為三個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器提供電源，輸出電壓分別為VDD_RF、VDD_A和VDD_X。這些穩(wěn)壓器需要外部旁路電容進(jìn)行電源噪聲濾波，以確保電源的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓器可以配置為自動(dòng)或手動(dòng)模式，自動(dòng)模式能夠在電源抑制比（PSRR）和RF輸出最高可能電源電壓之間實(shí)現(xiàn)最佳折衷，以確保最大RF功率輸出。

2.2 接收器部分

2.2.1 模擬部分

TRF7963A擁有兩個(gè)接收器輸入（RX_IN1和RX_IN2），通過(guò)外部電容分壓器確保標(biāo)簽調(diào)制信號(hào)至少在一個(gè)輸入上可用，有效消除通信盲區(qū)。兩個(gè)RX輸入被多路復(fù)用到主接收器和輔助接收器，主接收器用于接收數(shù)據(jù)，輔助接收器用于信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)。主接收器包含RF包絡(luò)檢測(cè)、增益和濾波階段以及RSSI測(cè)量階段，輔助接收器則主要用于監(jiān)測(cè)RX信號(hào)質(zhì)量。

2.2.2 數(shù)字部分

模擬接收器的輸出是數(shù)字化的子載波信號(hào)，輸入到數(shù)字接收器。數(shù)字接收器由協(xié)議位解碼器和幀邏輯兩部分組成，協(xié)議位解碼器將子載波編碼信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行位流和數(shù)據(jù)時(shí)鐘，幀邏輯將串行位流數(shù)據(jù)格式化為數(shù)據(jù)字節(jié)，并自動(dòng)去除特殊信號(hào)、校驗(yàn)并去除奇偶位和CRC字節(jié)。同時(shí)，接收器還支持位沖突檢測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)，會(huì)發(fā)送中斷請(qǐng)求并設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志。此外，接收器還包含兩個(gè)定時(shí)器，用于控制接收等待時(shí)間和無(wú)響應(yīng)等待時(shí)間，避免誤檢測(cè)和減輕外部控制器的負(fù)擔(dān)。

2.3 振蕩器部分

13.56-MHz振蕩器由芯片狀態(tài)控制寄存器（0x00）和EN、EN2信號(hào)控制，為RF輸出級(jí)和數(shù)字部分提供時(shí)鐘源。緩沖時(shí)鐘信號(hào)可在引腳27（SYS_CLK）上為外部電路提供。典型的完全掉電啟動(dòng)時(shí)間在3.5 ms左右，在掉電模式2下，SYS_CLK頻率切換到60 kHz（典型值）。外部晶體需要連接在引腳30和31之間，外部并聯(lián)電容的值需要根據(jù)晶體的指定負(fù)載電容進(jìn)行計(jì)算。

2.4 發(fā)射器部分

2.4.1 模擬部分

13.56-MHz振蕩器為功率放大器（PA）階段生成RF信號(hào)，功率放大器的驅(qū)動(dòng)輸出電阻可選4 Ω或8 Ω（典型值）。發(fā)射功率水平在5-V自動(dòng)操作時(shí)可選100 mW（半功率）或200 mW（全功率），在3-V自動(dòng)操作時(shí)，典型范圍為33 mW（半功率）或70 mW（全功率）。ASK調(diào)制深度可通過(guò)調(diào)制器和SYS_CLK控制寄存器（0x09）進(jìn)行控制，范圍為7%至30%或100%（OOK）。

2.4.2 數(shù)字部分

發(fā)射器的數(shù)字部分與接收器類似，ISO控制寄存器（0x01）的設(shè)置同樣適用于發(fā)射器。在默認(rèn)模式下，TRF7963A會(huì)自動(dòng)添加所有特殊信號(hào)，如通信開(kāi)始、結(jié)束、SOF、EOF、奇偶位和CRC字節(jié)。數(shù)據(jù)被編碼為調(diào)制脈沖電平后發(fā)送到RF輸出級(jí)調(diào)制控制單元。啟動(dòng)發(fā)射操作有兩種方式，可根據(jù)實(shí)際需求選擇。

2.5 通信接口

2.5.1 接口選擇

TRF7963A的通信接口可配置為八線并行接口（D0:D7）加DATA_CLK，或3線或4線串行外設(shè)接口（SPI）。這兩種通信模式互斥，一次只能使用一種模式。當(dāng)選擇SPI接口時(shí)，未使用的I/O_2、I/O_1和I/O_0引腳需要根據(jù)表格進(jìn)行硬接線。

2.5.2 通信格式

通信通過(guò)起始條件初始化，隨后是地址/命令字（Adr/Cmd）。Adr/Cmd字為8位長(zhǎng)，MSB（位7）用于確定該字是作為命令還是地址使用。地址模式用于讀寫配置寄存器或FIFO，命令模式用于執(zhí)行讀寫器操作（如初始化傳輸、啟用讀寫器等）。

2.5.3 FIFO操作

FIFO是一個(gè)位于地址0x1F的12字節(jié)寄存器，數(shù)據(jù)以循環(huán)方式加載，可通過(guò)復(fù)位命令（0x0F）清除。與FIFO相關(guān)的有兩個(gè)計(jì)數(shù)器和三個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，用于跟蹤加載到FIFO中的字節(jié)數(shù)、傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)以及FIFO的狀態(tài)。在傳輸和接收過(guò)程中，MCU需要根據(jù)FIFO的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作，以確保數(shù)據(jù)的正常傳輸。

2.5.4 直接模式

直接模式允許用戶以兩種方式配置讀寫器：直接模式0可繞過(guò)讀寫器中的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，僅使用前端功能；直接模式1使用所選協(xié)議的子載波信號(hào)解碼器，但不進(jìn)行幀處理。進(jìn)入直接模式需要進(jìn)行一系列寄存器設(shè)置，且在操作過(guò)程中需要注意不要發(fā)送停止條件，以免退出直接模式。

2.5.5 直接命令

MCU可向讀寫器發(fā)送多種直接命令，如復(fù)位FIFO、傳輸帶CRC或不帶CRC的數(shù)據(jù)、測(cè)試內(nèi)部或外部RF等。每個(gè)命令都有其特定的功能和使用場(chǎng)景，工程師需要根據(jù)實(shí)際需求合理使用這些命令。

三、寄存器配置

TRF7963A擁有多個(gè)寄存器，用于控制芯片的各種功能和參數(shù)。這些寄存器包括主控制寄存器、協(xié)議子集寄存器、狀態(tài)寄存器、FIFO寄存器等。每個(gè)寄存器都有其特定的位字段，用于實(shí)現(xiàn)不同的功能。例如，芯片狀態(tài)控制寄存器（0x00）用于控制電源模式、RF開(kāi)關(guān)、AM或PM以及直接模式；ISO控制寄存器（0x01）用于選擇ISO標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、直接模式和接收CRC等。工程師需要深入了解這些寄存器的功能和配置方法，才能充分發(fā)揮TRF7963A的性能。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 布局考慮

在進(jìn)行TRF7963A的應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，布局是一個(gè)關(guān)鍵因素。需要將所有去耦電容盡可能靠近IC放置，高頻去耦電容（10 nF）應(yīng)比低頻去耦電容（2.2 μF）更靠近IC。同時(shí)，要將接地過(guò)孔盡可能靠近電容的接地端和讀寫器IC引腳，以最小化可能的接地環(huán)路。此外，應(yīng)避免使用小于0603尺寸的電感器，以免影響輸出功率。還要注意晶體的負(fù)載電容要求，并根據(jù)晶體制造商的建議調(diào)整外部并聯(lián)電容的值。數(shù)字和模擬部分應(yīng)共享一個(gè)公共接地平面，不同接地部分之間應(yīng)通過(guò)過(guò)孔連接。確保IC中心的暴露散熱墊正確布局，并連接到接地以幫助散熱。盡量縮短走線長(zhǎng)度，特別是RF輸出路徑、晶體連接和讀寫器到微處理器的控制線。避免數(shù)字線在RF信號(hào)線下方交叉，若無(wú)法避免，應(yīng)使用90°交叉以減少線路耦合。根據(jù)生產(chǎn)測(cè)試計(jì)劃，考慮在PCB上設(shè)置測(cè)試焊盤或測(cè)試過(guò)孔，以便于測(cè)試。

4.2 阻抗匹配

TRF7963A在全功率輸出設(shè)置下的輸出阻抗標(biāo)稱值為4 + j0 Ω（4 Ω實(shí)部），需要將其匹配到諧振電路。TI建議使用從4 Ω到50 Ω的匹配電路，以方便與商用測(cè)試設(shè)備（如頻譜分析儀、功率計(jì)和網(wǎng)絡(luò)分析儀）連接?？梢酝ㄟ^(guò)Smith Chart模擬器來(lái)設(shè)計(jì)阻抗匹配電路，并根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整電路元件的值。

4.3 天線設(shè)計(jì)

對(duì)于HF天線設(shè)計(jì)，可參考《Antenna Matching for the TRF7960 RFID Reader》和《TRF7960TB HF RFID Reader Module User's Guide》等文檔，以確保天線的性能符合設(shè)計(jì)要求。

五、總結(jié)

TRF7963A作為一款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的13.56-MHz RFID讀寫器IC，憑借其全面的協(xié)議支持、超低功耗設(shè)計(jì)、豐富的接口選項(xiàng)和靈活的寄存器配置等特性，在RFID領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要深入了解其技術(shù)細(xì)節(jié)，合理進(jìn)行布局設(shè)計(jì)和阻抗匹配，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助各位工程師更好地理解和應(yīng)用TRF7963A芯片，為RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供有益的參考。

大家在使用TRF7963A芯片的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些獨(dú)特的問(wèn)題或者有什么特別的經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。