深入解析TRF7963A：13.56-MHz RFID读写器IC的卓越之选

在当今的电子科技领域，RFID（射频识别）技术凭借其高效、便捷的特性，在众多行业中得到了广泛应用。而TI（德州仪器）推出的TRF7963A，作为一款完全集成的13.56-MHz RFID读写器IC，无疑是该领域的一颗璀璨明星。今天，我们就来深入剖析这款芯片，探讨它的特性、应用以及相关设计要点。

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一、TRF7963A概述

TRF7963A是一款集成了模拟前端（AFE）和数据成帧功能的芯片，专为支持ISO/IEC 14443 A和B以及索尼FeliCa标准的13.56-MHz RFID读写器系统而设计。它内置了丰富的编程选项，适用于各种近距离识别系统应用。

1.1 特性亮点

• 全面的协议支持：能够完全集成处理ISO/IEC 14443 A和B、NFC论坛设备类型1至4以及FeliCa协议，为不同标准的应用提供了强大的支持。
• 双接收器架构：配备RSSI（接收信号强度指示）功能，可有效消除“读取盲区”，并能检测相邻读写器系统或环境带内噪声，大大提高了通信的稳定性和可靠性。
• 超低功耗设计：具备可编程电源模式，在掉电模式下功耗低于0.5μA，非常适合对功耗要求较高的应用场景。
• 宽输入电压范围：支持2.7 VDC至5.5 VDC的输入电压，增强了芯片的适应性。
• 可编程输出功率：提供+20 dBm（100 mW）或+23 dBm（200 mW）两种可选输出功率，可根据实际需求进行灵活调整。
• 丰富的接口选项：支持并行或SPI接口，方便与不同的微控制器进行通信。同时，可编程I/O电压电平范围为1.8 VDC至5.5 VDC，进一步提高了接口的兼容性。
• 集成电压调节器：可为微控制器提供稳定的电源，简化了系统设计。
• 可编程系统时钟频率输出：可选择RF、RF/2、RF/4三种时钟频率输出，满足不同系统的时钟需求。
• 宽温度范围：工作温度范围为–25°C至85°C，适用于各种恶劣的工作环境。
• 小巧封装：采用32引脚QFN封装（5 mm × 5 mm），节省了电路板空间。

1.2 应用领域

TRF7963A的应用范围十分广泛，涵盖了安全访问控制、交通票务、数字门锁、活动票务、医疗系统等多个领域。其强大的功能和稳定的性能，为这些应用提供了可靠的技术支持。

二、技术细节剖析

2.1 电源供应

TRF7963A的正电源输入VIN（引脚2）为三个内部稳压器提供电源，输出电压分别为VDD_RF、VDD_A和VDD_X。这些稳压器需要外部旁路电容进行电源噪声滤波，以确保电源的稳定性。稳压器可以配置为自动或手动模式，自动模式能够在电源抑制比（PSRR）和RF输出最高可能电源电压之间实现最佳折衷，以确保最大RF功率输出。

2.2 接收器部分

2.2.1 模拟部分

TRF7963A拥有两个接收器输入（RX_IN1和RX_IN2），通过外部电容分压器确保标签调制信号至少在一个输入上可用，有效消除通信盲区。两个RX输入被多路复用到主接收器和辅助接收器，主接收器用于接收数据，辅助接收器用于信号质量监测。主接收器包含RF包络检测、增益和滤波阶段以及RSSI测量阶段，辅助接收器则主要用于监测RX信号质量。

2.2.2 数字部分

模拟接收器的输出是数字化的子载波信号，输入到数字接收器。数字接收器由协议位解码器和帧逻辑两部分组成，协议位解码器将子载波编码信号转换为串行位流和数据时钟，帧逻辑将串行位流数据格式化为数据字节，并自动去除特殊信号、校验并去除奇偶位和CRC字节。同时，接收器还支持位冲突检测功能，当检测到冲突时，会发送中断请求并设置相应标志。此外，接收器还包含两个定时器，用于控制接收等待时间和无响应等待时间，避免误检测和减轻外部控制器的负担。

2.3 振荡器部分

13.56-MHz振荡器由芯片状态控制寄存器（0x00）和EN、EN2信号控制，为RF输出级和数字部分提供时钟源。缓冲时钟信号可在引脚27（SYS_CLK）上为外部电路提供。典型的完全掉电启动时间在3.5 ms左右，在掉电模式2下，SYS_CLK频率切换到60 kHz（典型值）。外部晶体需要连接在引脚30和31之间，外部并联电容的值需要根据晶体的指定负载电容进行计算。

2.4 发射器部分

2.4.1 模拟部分

13.56-MHz振荡器为功率放大器（PA）阶段生成RF信号，功率放大器的驱动输出电阻可选4 Ω或8 Ω（典型值）。发射功率水平在5-V自动操作时可选100 mW（半功率）或200 mW（全功率），在3-V自动操作时，典型范围为33 mW（半功率）或70 mW（全功率）。ASK调制深度可通过调制器和SYS_CLK控制寄存器（0x09）进行控制，范围为7%至30%或100%（OOK）。

2.4.2 数字部分

发射器的数字部分与接收器类似，ISO控制寄存器（0x01）的设置同样适用于发射器。在默认模式下，TRF7963A会自动添加所有特殊信号，如通信开始、结束、SOF、EOF、奇偶位和CRC字节。数据被编码为调制脉冲电平后发送到RF输出级调制控制单元。启动发射操作有两种方式，可根据实际需求选择。

2.5 通信接口

2.5.1 接口选择

TRF7963A的通信接口可配置为八线并行接口（D0:D7）加DATA_CLK，或3线或4线串行外设接口（SPI）。这两种通信模式互斥，一次只能使用一种模式。当选择SPI接口时，未使用的I/O_2、I/O_1和I/O_0引脚需要根据表格进行硬接线。

2.5.2 通信格式

通信通过起始条件初始化，随后是地址/命令字（Adr/Cmd）。Adr/Cmd字为8位长，MSB（位7）用于确定该字是作为命令还是地址使用。地址模式用于读写配置寄存器或FIFO，命令模式用于执行读写器操作（如初始化传输、启用读写器等）。

2.5.3 FIFO操作

FIFO是一个位于地址0x1F的12字节寄存器，数据以循环方式加载，可通过复位命令（0x0F）清除。与FIFO相关的有两个计数器和三个状态标志，用于跟踪加载到FIFO中的字节数、传输的字节数以及FIFO的状态。在传输和接收过程中，MCU需要根据FIFO的状态进行相应的操作，以确保数据的正常传输。

2.5.4 直接模式

直接模式允许用户以两种方式配置读写器：直接模式0可绕过读写器中的协议实现，仅使用前端功能；直接模式1使用所选协议的子载波信号解码器，但不进行帧处理。进入直接模式需要进行一系列寄存器设置，且在操作过程中需要注意不要发送停止条件，以免退出直接模式。

2.5.5 直接命令

MCU可向读写器发送多种直接命令，如复位FIFO、传输带CRC或不带CRC的数据、测试内部或外部RF等。每个命令都有其特定的功能和使用场景，工程师需要根据实际需求合理使用这些命令。

三、寄存器配置

TRF7963A拥有多个寄存器，用于控制芯片的各种功能和参数。这些寄存器包括主控制寄存器、协议子集寄存器、状态寄存器、FIFO寄存器等。每个寄存器都有其特定的位字段，用于实现不同的功能。例如，芯片状态控制寄存器（0x00）用于控制电源模式、RF开关、AM或PM以及直接模式；ISO控制寄存器（0x01）用于选择ISO标准协议、直接模式和接收CRC等。工程师需要深入了解这些寄存器的功能和配置方法，才能充分发挥TRF7963A的性能。

四、应用设计要点

4.1 布局考虑

在进行TRF7963A的应用设计时，布局是一个关键因素。需要将所有去耦电容尽可能靠近IC放置，高频去耦电容（10 nF）应比低频去耦电容（2.2 µF）更靠近IC。同时，要将接地过孔尽可能靠近电容的接地端和读写器IC引脚，以最小化可能的接地环路。此外，应避免使用小于0603尺寸的电感器，以免影响输出功率。还要注意晶体的负载电容要求，并根据晶体制造商的建议调整外部并联电容的值。数字和模拟部分应共享一个公共接地平面，不同接地部分之间应通过过孔连接。确保IC中心的暴露散热垫正确布局，并连接到接地以帮助散热。尽量缩短走线长度，特别是RF输出路径、晶体连接和读写器到微处理器的控制线。避免数字线在RF信号线下方交叉，若无法避免，应使用90°交叉以减少线路耦合。根据生产测试计划，考虑在PCB上设置测试焊盘或测试过孔，以便于测试。

4.2 阻抗匹配

TRF7963A在全功率输出设置下的输出阻抗标称值为4 + j0 Ω（4 Ω实部），需要将其匹配到谐振电路。TI建议使用从4 Ω到50 Ω的匹配电路，以方便与商用测试设备（如频谱分析仪、功率计和网络分析仪）连接。可以通过Smith Chart模拟器来设计阻抗匹配电路，并根据模拟结果调整电路元件的值。

4.3 天线设计

对于HF天线设计，可参考《Antenna Matching for the TRF7960 RFID Reader》和《TRF7960TB HF RFID Reader Module User's Guide》等文档，以确保天线的性能符合设计要求。

五、总结

TRF7963A作为一款功能强大、性能稳定的13.56-MHz RFID读写器IC，凭借其全面的协议支持、超低功耗设计、丰富的接口选项和灵活的寄存器配置等特性，在RFID领域具有广泛的应用前景。然而，在实际应用中，工程师需要深入了解其技术细节，合理进行布局设计和阻抗匹配，以充分发挥其性能优势。希望通过本文的介绍，能帮助各位工程师更好地理解和应用TRF7963A芯片，为RFID系统的设计和开发提供有益的参考。

大家在使用TRF7963A芯片的过程中，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么特别的经验呢？欢迎在评论区分享交流。