深度剖析TMS3705：TI-RFid™ 射频识别系统基站IC的卓越表现

在电子设备飞速发展的今天，射频识别（RFID）技术以其高效、便捷的特性，在各个领域发挥着重要作用。TMS3705作为德州仪器（TI）推出的一款高性能、多功能的RFID基站IC，在汽车、门禁、畜牧等多个领域都有广泛的应用前景。今天，我们就来深入了解一下TMS3705的特点、功能以及相关的技术细节。

文件下载：tms3705.pdf

一、产品概述

TMS3705是TI-RFid™ RF识别系统的基站IC，它具有多种强大功能。不仅能够驱动天线，将调制数据发送到天线，还能检测并解调应答器的响应信号（FSK）。该IC具备短路保护和诊断功能，并且在睡眠模式下的供电电流仅为0.2 mA，这对于需要低功耗运行的设备来说是非常关键的优势。此外，它采用了16引脚的SOIC (D)封装，满足汽车应用的严格要求。

二、产品特性

基本参数

• 数据速率：最大可达8 kbps，能够快速准确地传输数据。
• 频率：工作频率为134.2 kHz，适合多种RFID应用场景。
• 天线电感：所需的天线电感范围为100 至 1000 pH，为天线的设计提供了一定的灵活性。
• 电源电压：供电电压范围为4.5 至 5.5 Vdc，确保了在不同电源环境下的稳定运行。
• 传输原理：采用HDX和FSK传输原理，保证了数据传输的高效性和可靠性。

时钟配置

TMS3705在时钟供应方面有两种配置方式。一种是微控制器和基站IC由同一个谐振器提供时钟信号，谐振器连接到微控制器，基站IC的时钟信号由微控制器的数字时钟输出驱动，时钟频率根据所选微控制器类型可为4 MHz或2 MHz。另一种是微控制器和基站各自拥有独立的谐振器。基站IC内部的PLL会生成一个16 MHz的时钟频率，仅用于内部时钟供应。

不同型号适配

不同型号的TMS3705适用于不同的应答器产品。例如，TMS3705DDRQ1和TMS3705GDRQ1推荐与AES应答器产品配合使用；而TMS3705EDRQ1和TMS3705FDRQ1则在与DST40、DST80、MPT应答器配合使用时能发挥最佳性能，并且不能与AES应答器产品搭配使用。

三、功能模块详解

电源模块

通过两个电源引脚，由外部电压调节器为设备提供5 V电源。一个引脚为天线驱动电流和数字解调器前端的模拟部分提供电源，另一个引脚为其他模块供电。电源还具备上电复位功能，当电源电压低于某个特定值时，能使控制逻辑进入空闲状态。在睡眠状态下，总供电电流可降低至0.2 mA，当TXCT变为高电平100 ms后，基站设备进入睡眠状态；当TXCT变为低电平或保持低电平时，基站IC立即进入并保持正常运行状态。

振荡器模块

振荡器产生基站IC的时钟信号，所有定时信号都由此衍生。在其输入和输出之间连接一个典型频率为4 MHz的陶瓷谐振器。如果向OSC1引脚提供频率为4 MHz或2 MHz的数字时钟信号，该信号可用于生成16 MHz的内部工作频率。振荡器模块中的PLL会根据输入引脚F_SEL的逻辑状态，将输入时钟频率乘以4（F_SEL为高电平）或8（F_SEL为低电平），从而生成16 MHz的内部时钟频率。在睡眠状态下，振荡器停止工作。

预驱动器模块

预驱动器利用分频器产生的载波频率，为全桥的四个功率晶体管生成信号。P沟道功率晶体管的栅极信号（低电平有效）宽度相同（±1个16 MHz时钟周期），一个P沟道MOSFET关断与另一个导通之间的延迟定义为16 MHz时钟的12个周期。在写入模式下，位暂停后第一个栅极信号的激活与接收到的应答器信号通过180°的相移同步。

全桥模块

全桥在充电阶段和写入阶段的有效时间内，以载波频率驱动天线电流。在天线谐振频率下，全桥在正常工作时其输出之间的最小负载电阻为43.3 Ω。当全桥不工作时，两个驱动器输出接地。全桥的两个输出均独立具备短路接地保护功能。若发生短路，全桥会在小于10 μs的时间内关闭，以避免电源电压下降；经过小于10 ms的延迟后，全桥会再次开启，以检测短路是否仍然存在。

射频放大器模块

射频放大器是一个具有固定内部电压参考的运算放大器，其电压增益由外部电阻定义为5。该放大器具有至少2 MHz的高增益带宽积，能使所需信号的相移小于16°，并且通过适配额外的外部组件，还可将其用作低通滤波器。射频放大器的输入信号与天线直流耦合，输出信号的峰峰值幅度大于5 mV。

带通滤波器和限幅器模块

带通滤波器无需外部组件即可提供放大和滤波功能。其下限截止频率约为平均信号频率130 kHz的一半，上限截止频率约为130 kHz的两倍。限幅器将模拟正弦波信号转换为数字信号，并根据输入信号的最小幅度提供滞后。其数字输出信号的占空比在40%至60%之间，带通滤波器和限幅器共同具有至少1000的高增益。

诊断模块

诊断在充电阶段进行，用于检测全桥和天线是否正常工作。当全桥驱动天线时，线圈两端的电压会超过电源电压，使得射频放大器输入的电压被ESD保护二极管钳位。为进行诊断，SENSE引脚在芯片上加载一个可切换到地的电阻，使内部可切换电阻和外部SENSE电阻构成分压器，而在读取模式下内部电阻断开。当内部电阻上的电压降超过某个特定值时，诊断模块将输入信号的频率传递给数字解调器。诊断信号的频率在诊断时间（最长0.1 ms）内，如果连续八次检测到其计数器状态都在112至125的范围内，则被认为是有效的。输出信号仅在充电阶段使用，否则将被忽略。当短路保护关闭全桥驱动器之一时，诊断也会通过向微控制器发送与其他故障模式相同的诊断字节来指示天线工作异常。

频率分频器模块

频率分频器是一个可编程分频器，用于为全桥天线驱动器生成载波频率。默认的分频因子值为119，可从16 MHz生成标称载波频率134.45 kHz。编程分频因子的分辨率为一个分频步长，对应约1.1 kHz的频率偏移。为满足应答器谐振频率范围所需的不同分频因子为114至124。

数字解调器模块

数字解调器的输入信号来自限幅器，根据发送的应答器代码的高低位序列进行频率编码。通过对输入信号时间段内的振荡时钟进行计数来测量输入信号的频率。由于高低位频率的公差范围较宽，解调器通过两个频率之间的偏移来区分高低位频率，而不是依靠绝对值。高低位频率之间的阈值定义为比测量到的低位频率低6.5 kHz，并且具有±0.55 kHz的滞后。解调器由控制逻辑控制，在充电阶段之后（即读取或写入阶段），它会测量输入信号的时间段，并等待应答器谐振频率测量结果，以确定高低位频率阈值的计数器状态。然后等待起始位的出现，为此，将测量时间段与阈值的比较结果存储在一个12位移位寄存器中。当移位寄存器的内容与特定模式匹配时，即表示检测到起始位，该模式为连续8个时间段低于阈值，紧接着连续4个时间段高于阈值。在12位移位寄存器前插入一个2周期数字滤波器，以便在从低位到高位频率转换期间，即使时间段变化非单调，也能检测到起始位。输入级检测到的位流在评估之前会经过一个数字滤波器处理，解调后，从应答器接收到的串行位流会按字节缓冲，然后通过SCI编码发送到微控制器。

SCI编码器模块

SCI编码器负责将数据传输到微控制器。由于应答器的传输速率低于SCI传输速率，从应答器接收到的串行位流在解调后、SCI编码前会进行缓冲。SCI编码器使用一个8位移位寄存器，以15.625 kbaud（±1.5 %）的传输速率，将接收到的数据按字节（最低有效位优先）发送到微控制器，包含1个起始位（高电平）、1个停止位（低电平），无奇偶校验位（模式控制寄存器的SYNC位永久为低电平，表示异步模式）。SCIO输出的数据位相对于应答器发送的相应位是反相的。传输在接收到起始位后开始，起始字节检测从第一个上升沿开始初始化，典型的起始字节值为81_H或01_H（在SCIO处）。起始字节是发送到微控制器的第一个字节。当TXCT变为低电平或读取阶段开始20 ms后，传输停止，基站返回空闲状态。TXCT需保持低电平至少128 μs以停止读取阶段，且小于900 μs以避免启动下一个传输周期。SCI编码器还会在充电阶段开始2 ms后发送诊断字节。若天线正常工作，发送诊断字节AF_H；若无法测量到天线振荡或检测到短路导致至少一个全桥驱动器关闭，则发送诊断字节FF_H以指示故障模式。通过将模式控制寄存器的SYNC位置为高电平，可将SCI编码器切换到同步数据传输模式。在该模式下，SCIO输出为高电平表示有新字节准备好传输，微控制器通过TXCT引脚向SCI编码器发送八个时钟信号（下降沿有效），即可在SCIO处接收8位数据。

控制逻辑模块

控制逻辑是TMS3705电路的核心，它包含一个序列器或状态机，用于控制基站的全局操作。该模块具有默认模式配置，也可通过微控制器的TXCT串行输入引脚进行控制，以更改配置并控制可编程频率分频器。为此，该模块中实现了一个模式控制寄存器，可由微控制器写入。默认模式是只读模式，使用默认频率作为全桥的载波频率，因此无需写入模式控制寄存器（寄存器填充为低电平状态）。微控制器与基站之间的通信序列从TXCT保持低电平一段固定时间以启动充电阶段开始，当TXCT再次变为高电平时，模块进入读取阶段，通过SCIO引脚向微控制器的数据传输开始。另一种只读模式与默认模式的区别在于，在充电阶段开始前需要写入模式控制寄存器。写入 - 读取模式从对模式控制寄存器进行编程开始，然后TXCT保持低电平一段固定时间以启动充电阶段。当TXCT再次变为高电平时，写入阶段开始，数据通过TXCT引脚、控制逻辑、预驱动器和全桥，以100%的幅度调制和固定延迟时间从微控制器传输到应答器。写入阶段结束后，TXCT再次变为低电平以启动另一个充电或编程阶段，当TXCT再次变为高电平时，读取阶段开始。模式控制寄存器的内容定义了模式以及如何选择分频器生成的载波频率，以尽可能接近应答器的谐振频率。

测试引脚模块

IC具有一个用于接收器模拟部分的模拟测试引脚A_TST和一个用于测试内部逻辑的数字输出引脚D_TST，这两个引脚无需连接。

四、应用与支持

应用场景

TMS3705适用于多种应用场景，如汽车进入系统、车辆防盗系统、建筑物门禁系统以及畜牧阅读器等。在这些应用中，TMS3705能够准确地识别应答器信号，实现高效的数据传输和设备控制。

设计与布局

文档中提供了典型的应用图和材料清单，为工程师的设计和布局提供了参考。在设计过程中，需要注意天线的选择和匹配，以及各个模块的电源和接地处理，以确保系统的性能和稳定性。

工具与软件支持

TI提供了多种设计套件和评估模块，如ADR2评估套件和PaLFI评估套件，方便工程师进行产品评估和开发。同时，还有丰富的文档支持，包括应用报告、数据手册等，帮助工程师深入了解产品特性和使用方法。

技术支持与注意事项

TI的E2E™支持论坛为工程师提供了获取快速、准确答案和设计帮助的渠道。在使用TMS3705时，需要注意静电放电（ESD）的防护，因为该集成电路可能会受到ESD的损坏。

总结

TMS3705作为一款功能强大的射频识别基站IC，凭借其丰富的功能、出色的性能和低功耗特性，为电子工程师在设计各种RFID系统时提供了一个优秀的解决方案。通过深入了解其各个功能模块和技术细节，工程师可以充分发挥其优势，打造出更加高效、稳定的RFID系统。在实际应用中，结合TI提供的工具和支持资源，能够进一步加快产品的开发进程，提高产品的竞争力。大家在使用TMS3705的过程中，是否也遇到过一些有趣的问题或者有独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。