深度剖析TMS3705：TI-RFid? 射頻識別系統基站IC的卓越表現

在電子設備飛速發展的今天，射頻識別（RFID）技術以其高效、便捷的特性，在各個領域發揮著重要作用。TMS3705作為德州儀器（TI）推出的一款高性能、多功能的RFID基站IC，在汽車、門禁、畜牧等多個領域都有廣泛的應用前景。今天，我們就來深入了解一下TMS3705的特點、功能以及相關的技術細節。

文件下載：tms3705.pdf

一、產品概述

TMS3705是TI-RFid? RF識別系統的基站IC，它具有多種強大功能。不僅能夠驅動天線，將調制數據發送到天線，還能檢測并解調應答器的響應信號（FSK）。該IC具備短路保護和診斷功能，并且在睡眠模式下的供電電流僅為0.2 mA，這對于需要低功耗運行的設備來說是非常關鍵的優勢。此外，它采用了16引腳的SOIC (D)封裝，滿足汽車應用的嚴格要求。

二、產品特性

基本參數

• 數據速率：最大可達8 kbps，能夠快速準確地傳輸數據。
• 頻率：工作頻率為134.2 kHz，適合多種RFID應用場景。
• 天線電感：所需的天線電感范圍為100 至 1000 pH，為天線的設計提供了一定的靈活性。
• 電源電壓：供電電壓范圍為4.5 至 5.5 Vdc，確保了在不同電源環境下的穩定運行。
• 傳輸原理：采用HDX和FSK傳輸原理，保證了數據傳輸的高效性和可靠性。

時鐘配置

TMS3705在時鐘供應方面有兩種配置方式。一種是微控制器和基站IC由同一個諧振器提供時鐘信號，諧振器連接到微控制器，基站IC的時鐘信號由微控制器的數字時鐘輸出驅動，時鐘頻率根據所選微控制器類型可為4 MHz或2 MHz。另一種是微控制器和基站各自擁有獨立的諧振器?；綢C內部的PLL會生成一個16 MHz的時鐘頻率，僅用于內部時鐘供應。

不同型號適配

不同型號的TMS3705適用于不同的應答器產品。例如，TMS3705DDRQ1和TMS3705GDRQ1推薦與AES應答器產品配合使用；而TMS3705EDRQ1和TMS3705FDRQ1則在與DST40、DST80、MPT應答器配合使用時能發揮最佳性能，并且不能與AES應答器產品搭配使用。

三、功能模塊詳解

電源模塊

通過兩個電源引腳，由外部電壓調節器為設備提供5 V電源。一個引腳為天線驅動電流和數字解調器前端的模擬部分提供電源，另一個引腳為其他模塊供電。電源還具備上電復位功能，當電源電壓低于某個特定值時，能使控制邏輯進入空閑狀態。在睡眠狀態下，總供電電流可降低至0.2 mA，當TXCT變為高電平100 ms后，基站設備進入睡眠狀態；當TXCT變為低電平或保持低電平時，基站IC立即進入并保持正常運行狀態。

振蕩器模塊

振蕩器產生基站IC的時鐘信號，所有定時信號都由此衍生。在其輸入和輸出之間連接一個典型頻率為4 MHz的陶瓷諧振器。如果向OSC1引腳提供頻率為4 MHz或2 MHz的數字時鐘信號，該信號可用于生成16 MHz的內部工作頻率。振蕩器模塊中的PLL會根據輸入引腳F_SEL的邏輯狀態，將輸入時鐘頻率乘以4（F_SEL為高電平）或8（F_SEL為低電平），從而生成16 MHz的內部時鐘頻率。在睡眠狀態下，振蕩器停止工作。

預驅動器模塊

預驅動器利用分頻器產生的載波頻率，為全橋的四個功率晶體管生成信號。P溝道功率晶體管的柵極信號（低電平有效）寬度相同（±1個16 MHz時鐘周期），一個P溝道MOSFET關斷與另一個導通之間的延遲定義為16 MHz時鐘的12個周期。在寫入模式下，位暫停后第一個柵極信號的激活與接收到的應答器信號通過180°的相移同步。

全橋模塊

全橋在充電階段和寫入階段的有效時間內，以載波頻率驅動天線電流。在天線諧振頻率下，全橋在正常工作時其輸出之間的最小負載電阻為43.3 Ω。當全橋不工作時，兩個驅動器輸出接地。全橋的兩個輸出均獨立具備短路接地保護功能。若發生短路，全橋會在小于10 μs的時間內關閉，以避免電源電壓下降；經過小于10 ms的延遲后，全橋會再次開啟，以檢測短路是否仍然存在。

射頻放大器模塊

射頻放大器是一個具有固定內部電壓參考的運算放大器，其電壓增益由外部電阻定義為5。該放大器具有至少2 MHz的高增益帶寬積，能使所需信號的相移小于16°，并且通過適配額外的外部組件，還可將其用作低通濾波器。射頻放大器的輸入信號與天線直流耦合，輸出信號的峰峰值幅度大于5 mV。

帶通濾波器和限幅器模塊

帶通濾波器無需外部組件即可提供放大和濾波功能。其下限截止頻率約為平均信號頻率130 kHz的一半，上限截止頻率約為130 kHz的兩倍。限幅器將模擬正弦波信號轉換為數字信號，并根據輸入信號的最小幅度提供滯后。其數字輸出信號的占空比在40%至60%之間，帶通濾波器和限幅器共同具有至少1000的高增益。

診斷模塊

診斷在充電階段進行，用于檢測全橋和天線是否正常工作。當全橋驅動天線時，線圈兩端的電壓會超過電源電壓，使得射頻放大器輸入的電壓被ESD保護二極管鉗位。為進行診斷，SENSE引腳在芯片上加載一個可切換到地的電阻，使內部可切換電阻和外部SENSE電阻構成分壓器，而在讀取模式下內部電阻斷開。當內部電阻上的電壓降超過某個特定值時，診斷模塊將輸入信號的頻率傳遞給數字解調器。診斷信號的頻率在診斷時間（最長0.1 ms）內，如果連續八次檢測到其計數器狀態都在112至125的范圍內，則被認為是有效的。輸出信號僅在充電階段使用，否則將被忽略。當短路保護關閉全橋驅動器之一時，診斷也會通過向微控制器發送與其他故障模式相同的診斷字節來指示天線工作異常。

頻率分頻器模塊

頻率分頻器是一個可編程分頻器，用于為全橋天線驅動器生成載波頻率。默認的分頻因子值為119，可從16 MHz生成標稱載波頻率134.45 kHz。編程分頻因子的分辨率為一個分頻步長，對應約1.1 kHz的頻率偏移。為滿足應答器諧振頻率范圍所需的不同分頻因子為114至124。

數字解調器模塊

數字解調器的輸入信號來自限幅器，根據發送的應答器代碼的高低位序列進行頻率編碼。通過對輸入信號時間段內的振蕩時鐘進行計數來測量輸入信號的頻率。由于高低位頻率的公差范圍較寬，解調器通過兩個頻率之間的偏移來區分高低位頻率，而不是依靠絕對值。高低位頻率之間的閾值定義為比測量到的低位頻率低6.5 kHz，并且具有±0.55 kHz的滯后。解調器由控制邏輯控制，在充電階段之后（即讀取或寫入階段），它會測量輸入信號的時間段，并等待應答器諧振頻率測量結果，以確定高低位頻率閾值的計數器狀態。然后等待起始位的出現，為此，將測量時間段與閾值的比較結果存儲在一個12位移位寄存器中。當移位寄存器的內容與特定模式匹配時，即表示檢測到起始位，該模式為連續8個時間段低于閾值，緊接著連續4個時間段高于閾值。在12位移位寄存器前插入一個2周期數字濾波器，以便在從低位到高位頻率轉換期間，即使時間段變化非單調，也能檢測到起始位。輸入級檢測到的位流在評估之前會經過一個數字濾波器處理，解調后，從應答器接收到的串行位流會按字節緩沖，然后通過SCI編碼發送到微控制器。

SCI編碼器模塊

SCI編碼器負責將數據傳輸到微控制器。由于應答器的傳輸速率低于SCI傳輸速率，從應答器接收到的串行位流在解調后、SCI編碼前會進行緩沖。SCI編碼器使用一個8位移位寄存器，以15.625 kbaud（±1.5 %）的傳輸速率，將接收到的數據按字節（最低有效位優先）發送到微控制器，包含1個起始位（高電平）、1個停止位（低電平），無奇偶校驗位（模式控制寄存器的SYNC位永久為低電平，表示異步模式）。SCIO輸出的數據位相對于應答器發送的相應位是反相的。傳輸在接收到起始位后開始，起始字節檢測從第一個上升沿開始初始化，典型的起始字節值為81_H或01_H（在SCIO處）。起始字節是發送到微控制器的第一個字節。當TXCT變為低電平或讀取階段開始20 ms后，傳輸停止，基站返回空閑狀態。TXCT需保持低電平至少128 μs以停止讀取階段，且小于900 μs以避免啟動下一個傳輸周期。SCI編碼器還會在充電階段開始2 ms后發送診斷字節。若天線正常工作，發送診斷字節AF_H；若無法測量到天線振蕩或檢測到短路導致至少一個全橋驅動器關閉，則發送診斷字節FF_H以指示故障模式。通過將模式控制寄存器的SYNC位置為高電平，可將SCI編碼器切換到同步數據傳輸模式。在該模式下，SCIO輸出為高電平表示有新字節準備好傳輸，微控制器通過TXCT引腳向SCI編碼器發送八個時鐘信號（下降沿有效），即可在SCIO處接收8位數據。

控制邏輯模塊

控制邏輯是TMS3705電路的核心，它包含一個序列器或狀態機，用于控制基站的全局操作。該模塊具有默認模式配置，也可通過微控制器的TXCT串行輸入引腳進行控制，以更改配置并控制可編程頻率分頻器。為此，該模塊中實現了一個模式控制寄存器，可由微控制器寫入。默認模式是只讀模式，使用默認頻率作為全橋的載波頻率，因此無需寫入模式控制寄存器（寄存器填充為低電平狀態）。微控制器與基站之間的通信序列從TXCT保持低電平一段固定時間以啟動充電階段開始，當TXCT再次變為高電平時，模塊進入讀取階段，通過SCIO引腳向微控制器的數據傳輸開始。另一種只讀模式與默認模式的區別在于，在充電階段開始前需要寫入模式控制寄存器。寫入 - 讀取模式從對模式控制寄存器進行編程開始，然后TXCT保持低電平一段固定時間以啟動充電階段。當TXCT再次變為高電平時，寫入階段開始，數據通過TXCT引腳、控制邏輯、預驅動器和全橋，以100%的幅度調制和固定延遲時間從微控制器傳輸到應答器。寫入階段結束后，TXCT再次變為低電平以啟動另一個充電或編程階段，當TXCT再次變為高電平時，讀取階段開始。模式控制寄存器的內容定義了模式以及如何選擇分頻器生成的載波頻率，以盡可能接近應答器的諧振頻率。

測試引腳模塊

IC具有一個用于接收器模擬部分的模擬測試引腳A_TST和一個用于測試內部邏輯的數字輸出引腳D_TST，這兩個引腳無需連接。

四、應用與支持

應用場景

TMS3705適用于多種應用場景，如汽車進入系統、車輛防盜系統、建筑物門禁系統以及畜牧閱讀器等。在這些應用中，TMS3705能夠準確地識別應答器信號，實現高效的數據傳輸和設備控制。

設計與布局

文檔中提供了典型的應用圖和材料清單，為工程師的設計和布局提供了參考。在設計過程中，需要注意天線的選擇和匹配，以及各個模塊的電源和接地處理，以確保系統的性能和穩定性。

工具與軟件支持

TI提供了多種設計套件和評估模塊，如ADR2評估套件和PaLFI評估套件，方便工程師進行產品評估和開發。同時，還有豐富的文檔支持，包括應用報告、數據手冊等，幫助工程師深入了解產品特性和使用方法。

技術支持與注意事項

TI的E2E?支持論壇為工程師提供了獲取快速、準確答案和設計幫助的渠道。在使用TMS3705時，需要注意靜電放電（ESD）的防護，因為該集成電路可能會受到ESD的損壞。

總結

TMS3705作為一款功能強大的射頻識別基站IC，憑借其豐富的功能、出色的性能和低功耗特性，為電子工程師在設計各種RFID系統時提供了一個優秀的解決方案。通過深入了解其各個功能模塊和技術細節，工程師可以充分發揮其優勢，打造出更加高效、穩定的RFID系統。在實際應用中，結合TI提供的工具和支持資源，能夠進一步加快產品的開發進程，提高產品的競爭力。大家在使用TMS3705的過程中，是否也遇到過一些有趣的問題或者有獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。