深入解析TRF7960與TRF7961：多功能13.56-MHz RFID前端芯片

在當今的電子設備領域，RFID技術的應用越來越廣泛，從門禁系統(tǒng)到產品追溯，從公共交通到醫(yī)療設備，無處不在。德州儀器（TI）推出的TRF7960和TRF7961芯片，作為13.56-MHz RFID模擬前端和數(shù)據成幀閱讀器系統(tǒng)，為工程師們提供了強大而靈活的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這兩款芯片的特點、應用和技術細節(jié)。

文件下載：TRF7960RHBR.pdf

一、設備概述

1.1 特點

TRF7960和TRF7961芯片具有眾多令人矚目的特點，這些特點使得它們在RFID應用中表現(xiàn)出色。

• 高度集成：芯片采用了完全集成的協(xié)議處理方式，為模擬、數(shù)字和功率放大器（PA）部分分別提供了獨立的內部高電源抑制比（PSRR）電源，有效隔離噪聲，從而實現(xiàn)了出色的讀取范圍和可靠性。同時，雙接收器輸入搭配AM和PM解調功能，最大程度地減少了通信盲區(qū)。此外，高度集成還減少了總的物料清單（BOM）和電路板面積，僅需一個外部13.56-MHz晶體振蕩器，并且提供了MCU可選的時鐘頻率輸出（RF、RF/2或RF/4），還配備了可調節(jié)的20-mA高PSRR低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），用于為外部MCU供電。
• 易于使用且靈活性高：芯片為每個支持的ISO協(xié)議都提供了自動配置的默認模式，同時擁有12個用戶可編程寄存器，可選擇接收器增益、可編程輸出功率（100 mW或200 mW）、可調節(jié)的ASK調制范圍（8%至30%）以及內置的接收器帶通濾波器，其拐角頻率可由用戶選擇。
• 寬工作電壓范圍和超低功耗模式：芯片的工作電壓范圍為2.7 V至5.5 V，具備超低功耗模式，如掉電模式下電流小于1 μA，待機模式下為120 μA，僅接收模式下為10 mA。
• 多種接口和小封裝：芯片支持并行8位或串行4引腳串行外設接口（SPI）與MCU通信，并使用12字節(jié)FIFO。同時，它采用了超小的32引腳QFN封裝（5 mm × 5 mm），節(jié)省了電路板空間。

1.2 應用

TRF7960和TRF7961芯片的應用范圍非常廣泛，包括但不限于以下幾個方面：

• 安全訪問控制：用于門禁系統(tǒng)，確保只有授權人員能夠進入特定區(qū)域。
• 產品認證：幫助驗證產品的真?zhèn)?，防止假冒偽劣產品流入市場。
• 醫(yī)療系統(tǒng)：在醫(yī)療設備管理、藥品追溯等方面發(fā)揮重要作用。
• 公共交通或活動票務：實現(xiàn)便捷的票務管理和檢票功能。

1.3 描述

這兩款芯片是集成的模擬前端和數(shù)據成幀系統(tǒng)，適用于13.56-MHz RFID閱讀器系統(tǒng)，支持多種協(xié)議，如ISO/IEC 14443 A和B、FeliCa?以及ISO/IEC 15693。內置的編程選項使其適用于各種近距離和遠距離識別系統(tǒng)的應用。通過在控制寄存器中選擇所需的協(xié)議，即可對閱讀器進行配置，并且可以直接訪問所有控制寄存器，根據需要對各種閱讀器參數(shù)進行微調。

芯片支持高達848 kbps的數(shù)據速率，并且所有ISO協(xié)議的成幀和同步任務都在板上完成。此外，還可以通過使用芯片提供的直接模式來實現(xiàn)其他標準甚至自定義協(xié)議。接收器系統(tǒng)采用了雙輸入接收器架構，以最大程度地提高通信的魯棒性，并且包括各種自動和手動增益控制選項。接收到的信號強度可以在RSSI寄存器中獲取。

1.4 典型應用

典型的應用框圖展示了TRF796x與MSP430 MCU的連接方式，包括系統(tǒng)時鐘（SYS_CLK）、電源輸入（VDD_X、VCC）、阻抗匹配電路、RF輸出（TX_OUT）、數(shù)據時鐘（DATA_CLK）、中斷請求（IRQ）、接收器輸入（RX_IN1、RX_IN2）以及13.56 MHz晶體振蕩器等部分。這種連接方式為工程師們提供了一個參考，方便他們進行實際的設計和開發(fā)。

二、技術細節(jié)

2.1 電源供應

芯片的正電源引腳VIN（引腳2）的輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V，為三個內部穩(wěn)壓器（VDD_RF、VDD_A和VDD_X）提供電源，這些穩(wěn)壓器使用外部旁路電容進行電源噪聲濾波，為RFID閱讀器系統(tǒng)提供了增強的PSRR。

• VDD_RF：用于為RF輸出級供電，可配置為5 V或3 V操作。在5 V操作時，輸出電壓可在4.3 V至5 V之間以100 mV的步長進行調整，最大電流供應能力為150 mA；在3 V操作時，輸出電壓可在2.7 V至3.4 V之間以100 mV的步長進行調整，最大電流供應能力為100 mA。
• VDD_A：為閱讀器芯片內的模擬電路供電，電壓設置分為兩個范圍。在5 V操作時，輸出電壓固定為3.5 V；在3 V操作時，輸出電壓可在2.7 V至3.4 V之間以100 mV的步長進行調整。
• VDD_X：可用于為閱讀器芯片的數(shù)字I/O以及其他外部系統(tǒng)組件供電，總電流供應能力最大為20 mA。在5 V操作時，輸出電壓固定為3.4 V；在3 V操作時，輸出電壓可在2.7 V至3.4 V之間以100 mV的步長進行調整。
• VDD_PA：是RF輸出級的正電源引腳，外部連接到穩(wěn)壓器輸出VDD_RF（引腳3）。

2.2 接收器 - 模擬部分

芯片有兩個接收器輸入（RX_IN1和RX_IN2），連接到外部濾波器，以確保標簽的AM調制信號至少在其中一個輸入上可用。外部濾波器為RX_IN2輸入提供45°相移，以便對標簽的PM調制信號進行進一步處理。這種架構消除了標簽與閱讀器之間可能出現(xiàn)的通信盲區(qū)。 接收器輸入級是一個RF電平檢測器，RX_IN1和RX_IN2輸入的RF振幅電平在VIN電源電平大于3.3 V時應約為3 VPP；如果VIN電平較低，RF輸入峰 - 峰電壓電平不應超過VIN電平。第一個增益和濾波級的標稱增益為15 dB，帶有可調帶通濾波器；第二個增益和濾波級的標稱增益為8 dB，頻率特性與第一級相同。

2.3 寄存器描述

芯片包含多個寄存器，用于控制和配置各種功能，如ISO控制寄存器、RX特殊設置寄存器、芯片狀態(tài)控制寄存器等。這些寄存器的設置可以根據不同的應用需求進行調整，以實現(xiàn)最佳的性能。例如，ISO控制寄存器用于選擇要使用的協(xié)議，每次寫入該寄存器時，所有相關寄存器都會加載默認預設值，通常無需對其他寄存器進行進一步調整即可正常工作。

2.4 直接命令

MCU可以通過發(fā)送直接命令來控制閱讀器的操作，如重置FIFO、傳輸數(shù)據（帶或不帶CRC）、延遲傳輸（帶或不帶CRC）、測試內部或外部RF RSSI等。這些命令為工程師們提供了靈活的控制方式，方便他們進行各種測試和調試工作。

2.5 閱讀器通信接口

閱讀器的通信接口可以配置為并行8引腳接口或串行外設接口（SPI），這兩種模式是互斥的，在應用中只能一次使用一種模式。當選擇SPI時，未使用的I/O_2、I/O_1和I/O_0引腳必須根據規(guī)定進行硬連線。閱讀器始終作為從設備，而微控制器（MCU）作為主設備，MCU發(fā)起與閱讀器的所有通信，并用于與更高層（應用層）進行通信。

三、應用與支持

3.1 應用原理圖

文檔提供了并行通信和SPI通信的應用原理圖，為工程師們在實際設計中提供了參考。這些原理圖展示了芯片與其他組件的連接方式，幫助工程師們更好地理解和應用芯片。

3.2 設備和文檔支持

• 工具和軟件：提供了參考設計和評估模塊（EVM）以及開發(fā)軟件，還提供了MSP430?MCU的源代碼，方便工程師們進行開發(fā)和測試。
• 文檔支持：包括應用筆記、固件描述等文檔，可在www.ti.com上獲取。這些文檔為工程師們提供了詳細的技術指導和應用案例，幫助他們更好地使用芯片。
• 社區(qū)資源：TI的E2E?社區(qū)為工程師們提供了一個交流和分享經驗的平臺，他們可以在其中提問、分享知識、探索想法并幫助解決問題。

四、總結與思考

TRF7960和TRF7961芯片以其高度集成、易于使用、靈活性高和低功耗等特點，為RFID閱讀器系統(tǒng)的設計提供了優(yōu)秀的解決方案。在實際應用中，工程師們需要根據具體的需求和場景，合理配置芯片的各種參數(shù)和功能，以實現(xiàn)最佳的性能。同時，要充分利用TI提供的工具、軟件和文檔支持，加快開發(fā)進度，提高設計質量。

在這里，我想問問各位工程師，在使用類似的RFID芯片時，你們遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你們的經驗和見解。