О. Стариков

Микросхемы фирмы Texas Instruments для систем радиочастотной идентификации

Продолжая разговор о системах и компонентах радиочастотной идентификации, начатый в Chip News № 3 за 2003 г., в данной статье автор предполагает произвести обзор микросхем фирмы Texas Instruments, используемых для построения этих систем, работающих в диапазонах 134,2 кГц и 13,56 МГц.

Фирма Texas Instruments является одним из ведущих производителей компонентов и систем радиочастотной идентификации, работающих в низкочастотном диапазоне 134,2 кГц, среднечастотном 13,56 МГц, высокочастотном 850 МГц и выше.

Особенностью данного производителя является то, что он в большинстве своём поставляет на RFID рынок такие изделия, как ридеры, ридер-модули, другие всевозможные модули, антенны для ридеров, а также транспондеры различных конфигураций, размеров и исполнения. Наряду с этими изделиями, фирма Texas Instruments выпускает ряд интегральных микросхем (ИМС), предназначенных для разработки и построения собственных систем радиочастотной идентификации, работающих в диапазонах 134,2 кГц и 13,56 МГц. К таким ИМС относятся RI-RFM-006A, RI-TMS3705A, RI-R6C-001A и RI-TMS37122-TR.

ИМС RI-RFM-006A выполнена по КМОП-технологии и представляет собой низкочастотный приёмопередатчик, работающий в диапазоне частот 120–140 кГц.

Данная микросхема предназначена для формирования, передачи, приёма и демодуляции FSK (Frequency Shift Keyed - частотно-манипулированных) сигналов и используется для построения систем радиочастотной идентификации, работающих с TIRIS-транспондерами. Иногда в отношении ИМС RI-RFM-006A у потребителей возникают некоторые вопросы, связанные с обозначением данной микросхемы. Так, в технической документации прежних лет, например, "Application Note: RF Module with IC RI45538, Rev.2.0, 12/12/94", данная ИМС указана как RI-45538 и до сих пор многие разработчики знают её именно под этим обозначением. В то же самое время, в новой документации (http://www.ti.com/tiris/docs/manuals/refmanuals/RI-RFM-006ArefManual.pdf), размещённой на сайте фирмы Texas Instruments, на принципиальных электрических схемах и на чертежах корпуса приводится обозначение RI45538NS. В данном случае, автор, уточняя этот вопрос в первую очередь для разработчиков и системных интеграторов RFID продукции, всё же указывает на то, что в номенклатуре фирмы-производителя Texas Instruments эта ИМС представлена под наименованием RI-RFM-006A.

На рис. 1 показана внутренняя архитектура и назначение выводов ИМС RI-RFM-006A.

Рисунок 1. Внутренняя архитектура и назначение выводов ИМС RI-RFM-006A

Данная микросхема рассчитана на работу с источником питания в диапазоне от 4,5 до 5,5 В при токе потребления 35 мА (при напряжении питания 5,0 В) и температуре окружающей среды от -40 до +85ºС и выполнена в корпусе типа SO 16.

Вывод A3OP является входом цифрового демодулятора (DIGITAL DEMODULATOR) сигналов и одновременно связан с выходом КМОП-инвертирующего усилителя, вход которого соединён с выводом A3IN данной ИМС. Выводы A2IN, A1IN и A2OP, A1OP являются входами и выходами соответственно двух других КМОП-инвертирующих усилителей. Вывод TXLO представляет собой выход n-канального MOSFET-транзистора, который формирует выходной сигнал отрицательного уровня. Вывод TXHI представляет собой выход р-канального MOSFET-транзистора, который формирует выходной сигнал положительного уровня. Данные MOSFET транзисторы, по сути, являются внутренним выходным каскадом передатчика ИМС RI-RFM-006A и представляют собой два независимых n и p ключа, управляемых непосредственно с выхода передатчика (TRANSMITTER). На вход OSCI подаётся сигнал образцовой частоты 17,1776 МГц от внешнего задающего генератора, который через входной буферный инвертор поступает на вход логического блока управления (CONTROL LOGIC). Этот частотный сигнал с выхода буферного инвертора также может поступать на выход ИМС через вывод OSCO.

На практике, как правило, к выводам OSCI и OSCO подключается кварцевый резонатор на частоту 17,1776 МГц. Выводы VCC и GND являются входами источника питания и земли, соответственно. Вывод TPC представляет собой вход для логических уровней высокого и низкого значения, позволяющих устанавливать выходную мощность передаваемых сигналов. Высокий логический уровень, установленный на этом входе, предполагает работу устройства в режиме нормальной выходной мощности. Низкий логический уровень, установленный на этом входе, существенно снижает выходную мощность передаваемых сигналов. Вывод TXCT также представляет собой вход для логических уровней высокого и низкого значения и позволяет осуществлять выбор режима: передача или приём сигналов. Низкий логический уровень на этом входе переводит устройство в режим передачи, а высокий логический уровень - в режим приёма FSK-сигналов с активизацией внутреннего цифрового демодулятора. Переключение режимов передача–приём производится с использованием внешнего контроллера, тем самым осуществляя связь и обмен данными с TIRIS-транспондером. В режиме приёма данных, на выходе TXHI устанавливается положительный потенциал, а выход TXLO принимает состояние высокого импеданса. Вывод RXDT представляет собой выход цифрового демодулятора FSK-сигналов в виде последовательности двоичных данных. В режиме передачи на этом выходе всегда устанавливается положительный потенциал. С выхода RXCK поступает тактовый сигнал синхронизации двоичных данных, полученных на выходе RXDT после демодуляции входных FSK-сигналов. Этот тактовый сигнал синхронизации выводится вместе с RXDT-сигналом.

На рис. 2 приведён пример схемы включения ИМС RI-RFM-006A в качестве приёмопередающего модуля для TIRIS-транспондеров.

Рисунок 2. Пример схемы включения ИМС RI-RFM-006A

Данная схема показывает один из возможных вариантов построения приёмопередающего тракта с использованием ИМС RI-RFM-006A для работы с TIRIS-транспондерами.

В данном варианте схемы в качестве частотозадающего элемента допускается применение кварцевого резонатора в диапазоне частот от 17,17248 до 17,18272 МГц с учётом установки корректирующих конденсаторов, так чтобы полученная резонансная частота лежала в пределах, позволяющих работать с TIRIS-транспондерами. В приведённом выше примере используется кварцевый резонатор на стандартную частоту 17,1776 МГц.

В режиме передачи эта частота делится на значение 128 и получается результирующая частота передачи, равная 134,2 кГц.

На рис. 3 показан вариант построения схемы выходного каскада передающего тракта с использованием ИМС RI-RFM-006A. При разработке выходного каскада передающего тракта особое внимание следует уделять выбору выходных транзисторов и подбору значения сопротивления резистора, включаемого между их затворами.

Рисунок 3. Схема выходного каскада передающего тракта с использованием ИМС RI-RFM-006A

Значение сопротивления резистора R1 должно быть таким, чтобы обеспечивалось достаточно малое время переключения выходных транзисторов T1 и T2 из закрытого состояния в открытое (то есть скорость накопления заряда на затворах должна быть высокой для сокращения времени нарастания фронта формируемого импульса) и тем самым обеспечивалось бы поддержание необходимой добротности LC-контура и уменьшение потерь мощности выходного сигнала. Для данного примера Texas Instruments рекомендует применение MOSFET-транзисторов c близкими характеристиками типа 2SJ182 и 2SK974 с типовым значением сопротивления канала в открытом состоянии, равным 0,28 и 0,25 Ом, соответственно, обеспечивающих работу при напряжении до 60 В и токе до 3 А.

Малое значение сопротивления открытого канала этих транзисторов обеспечивает быстрый процесс заряда–разряда ёмкости колебательного контура через эти транзисторы, тем самым обеспечивая хорошие временные характеристики колебательной системы в целом и формирование выходных сигналов с характеристиками огибающей, близкой к прямоугольной форме. Также, сопротивления каналов в открытом состоянии пары n- и p-канальных транзисторов должны быть близкими по значению, для обеспечения правильной формы огибающей (близкой к меандру) выходного сигнала. Для MOSFET-транзисторов в вышеуказанном схемном решении Texas Instruments рекомендует применять резистор R1 со значением сопротивления, равным 120 Ом. Значение сопротивления этого резистора, как правило, выбирают в пределах нескольких сотен Ом в соответствии с характеристиками используемых MOSFET-транзисторов. Слишком высокое значение сопротивления этого резистора приводит к увеличению времени переключения выходных транзисторов, ухудшению добротности LC-контура в момент переключения и, как следствие, к уменьшению излучаемой мощности и сокращению доступного расстояния обмена данными между TIRIS-транспондером и приёмопередающим блоком (ридером).

Учитывая, что техническая документация на ИМС RI-RFM-006A (Reference Manual and Description of Application Circuit), размещённая на сайте фирмы Texas Instruments, датируется 1996 годом, соответственно и пара MOSFET-транзисторов, указанных в данной технической документации, была выбрана с учётом элементной базы тех лет. В настоящее время, многими производителями выпускаются современные MOSFET-транзисторы со значением сопротивления открытого канала в тысячные доли Ом. Хочется ещё добавить несколько слов относительно включения LC-контура в режимах передачи и приёма данных. В режиме передачи данных, то есть в моменты формирования и передачи импульсов несущей частоты, верхний (по схеме) вывод катушки индуктивности L1 оказывается подключенным к положительному потенциалу источника питания через открытый (в моменты передачи импульсов) транзистор T1, тем самым образуя последовательный резонансный LC-контур, который в режиме передачи используется в качестве передающей антенны. Вообще, выходной сигнал данного передающего тракта является комбинацией TXLO- и TXHI- сигналов, управляющих работой выходных MOSFET-транзисторов T1 и T2. В режиме приёма данных, как уже говорилось ранее, на выходе TXHI устанавливается положительный потенциал, транзистор T1 закрывается, выход TXLO принимает состояние высокого импеданса.

Транзистор T2 открывается, получая заряд на затвор через резистор R1, подключая верхний (по схеме) вывод катушки индуктивности L1 к выводу земли источника питания и образуя тем самым параллельный резонансный LC-контур.

Входной частотно-манипулированный сигнал, выделенный этим LC-контуром, через три КМОП-инвертирующих усилителя, входящих в состав микросхемы, поступает на вход цифрового демодулятора FSK-сигналов. Типовая схема входной части приёмного устройства на базе ИМС RI-RFM-006A показана на рис. 4.

Рисунок 4. Входная часть приёмного устройства FSK-сигналов на базе ИМС RI-RFM-006A

Входной частотно-манипулированный сигнал, принятый от TIRIS-транспондера, может находиться в полосе частот от 120 до 140 кГц. В нормальных условиях работы транспондер передаёт частотно-манипулированный сигнал на частотах 123,2 и 134,2 кГц, в ответ на запрос от ридера, который формирует приблизительно каждые 50 мс радиочастотный сигнал-посылку частотой 134,2 кГц. Типовая частота передачи транспондером единичного бита равна 123,2 кГц, а нулевого бита - 134,2 кГц.

На рис. 5 показан принцип формирования такого частотно-манипулированного сигнала.

Рисунок 5. Частотно-манипулированный сигнал, передаваемый TIRIS-транспондером

Поскольку каждый бит передаётся 16 циклами частоты, единичный и нулевой разряды имеют разную продолжительность - 129,2 и 119,9 мкс, соответственно.

Вообще, из-за смещения и дисперсии частоты, обусловленных конструктивными особенностями, качеством изготовления транспондеров, условиями и температурой окружающей среды, FSK-сигнал, передаваемый транспондером, может содержать не только полезную составляющую, но также и паразитную шумовую составляющую, которая при попадании в спектр полосы пропускания полезного сигнала, может приводить к существенному спаду уровня полезного сигнала, передаваемого транспондером и как следствие, сокращению расстояния обмена данными между TIRIS-транспондером и приёмопередающим блоком (ридером). Для того чтобы снизить этот уровень побочных сигналов, лежащих вне основной полосы пропускания, и тем самым улучшить шумовую эффективность системы в целом, во входной части данного приёмного устройства применяются специальные RC-фильтры. Конденсаторы C2, C4 и C6, стоящие перед входом каждого КМОП-инвертирующего усилителя, используются для снижения низкочастотной шумовой составляющей сигнала, а конденсаторы C1, C3 и C5 уменьшают высокочастотную шумовую составляющую. Диоды D1, D2 и резистор R4 выполняют роль ограничителя входного сигнала на входе первого инвертирующего усилителя (А1) и представляют собой схему, предотвращающую возможную перегрузку высоким входным напряжением остальных каскадов микросхемы.

Пройдя через цепочку RC-фильтров и три инвертирующих усилителя, частотно-манипулированный сигнал поступает на вход цифрового демодулятора FSK-сигналов. Здесь частотно-манипулированный сигнал последовательно оцифровывается для двоичного распознавания частот единичного и нулевого бита и демодулируется в цифровую последовательность двоичных данных.

Двоичная дискриминация (распознавание) частотно-манипулированного сигнала производится путём подсчёта тактовых импульсов, проходящих от одного фронта оцифрованного входного сигнала до фронта следующего входного сигнала, как это показано на рис. 6.

Рисунок 6. Диаграмма, показывающая принцип дискриминации входного FSK-сигнала

Пороговое значение для этого подсчёта есть величина фиксированная и равна 132. Здесь необходимо заметить, что выход RXDT ИМС RI-RFM-006A имеет обратную полярность по отношению к стандартным радиочастотным TIRIS-модулям.

То есть отрицательный уровень на выходе RXDT будет тогда, когда принимается единичный бит данных от TIRIS-транспондера, а положительный уровень на выходе RXDT будет тогда, когда принимается нулевой бит данных. Так как стандартная частота задающего генератора равна 17,1776 МГц, то один тактовый импульс будет эквивалентен частоте 130,133 кГц, то есть при делении частоты 17,1776 МГц на 132 получим значение частоты, равное 130,133 кГц. Так, при дискриминации, когда частота входного идентифицируемого сигнала, будет меньше значения 130,133…кГц и соответственно число подсчётов тактовых импульсов, вмещаемых на промежутке от одного фронта входного импульса до следующего фронта (рис. 6), будет больше значения 132, это будет соответствовать отрицательному уровню на выходе RXDT и значению единичного бита данных, передаваемого TIRIS-транспондером. Когда же частота входного идентифицируемого сигнала будет больше значения 130,133…кГц и соответственно число подсчётов тактовых импульсов, вмещаемых на промежутке от одного фронта входного импульса до следующего фронта, будет меньше значения 132, это будет соответствовать положительному уровню на выходе RXDT и значению нулевого бита данных. То есть тем самым подтверждается сказанное ранее, что типовая частота передачи транспондером единичного бита равна 123,2 кГц, а нулевого бита - 134,2 кГц. Для повышения стабильности процесса демодуляции входных FSK-сигналов, система содержит схему, запрещающую определение RXDT-сигнала, пока не пройдёт более четырёх последовательных циклов FSK-сигнала в пределах одного и того же частотного диапазона, и тем самым предотвращает ложное определение RXDT-сигнала из-за возможного воздействия случайных событий, например, таких как попадание в спектр полезного сигнала паразитной шумовой составляющей. Так как каждый бит данных, посланный транспондером, передаётся 16-ю последовательными циклами частоты, сигнал на выходе RXDT будет выводиться в течении этих 16 циклов при условии, указанном выше. Тактовый сигнал синхронизации RXCK будет появляться после прохождения первых четырёх импульсов частоты на входе A3OP и удерживаться в течении восьми последующих импульсов частоты входного сигнала. По фронту сигнала RXCK разрешается считывание данных с выхода RXDT внешним контроллером.

На рис. 7 изображена диаграмма, показывающая процесс формирования сигналов RXDT и RXCK.

Рисунок 7. Диаграмма, показывающая процесс формирования сигналов RXDT и RXCK

Для ослабления возможных паразитных L-, R-, C-цепей и уменьшения нежелательной обратной связи, возникающей между выходом третьего и входом первого инвертирующего усилителя из-за внутренних цепей питания микросхемы, необходимо предусмотреть установку развязывающих конденсаторов по внешним цепям питания, оптимизировать разводку печатной платы и установку на неё внешних компонентов. Конденсаторы развязки, как впрочем и другие компоненты схемы, должны быть расположены (припаяны) своими выводами к поверхности платы настолько близко, насколько это возможно, то есть, иными словами, должны иметь минимально возможную длину выводов. Эти сведения не претендуют на новизну, а являются скорее правилом хорошего тона при конструировании приёмопередающей аппаратуры. Важно также отметить, что площадь заземляющей поверхности должна быть как можно лучшего качества.

В следующей статье автор продолжит знакомить читателей с микросхемами для систем радиочастотной идентификации фирмы Texas Instruments. Более подробную информацию относительно ИМС RI-RFM-006A и о системах радиочастотной идентификации фирмы Texas Instruments можно получить на сайте http://www.ti.com/tiris/default.htm.

Литература

1. Reference Manual and Description of Application Circuit: RI-RFM-006A, REV 3.5, 1996 TIRIS Technology by Texas Instruments.
2. Стариков О. Радиочастотная идентификация: технологии, системы, компоненты // Электронные компоненты. 2002. № 7. С. 103–105.
3. Стариков О. Радиочастотная идентификация: технологии, системы, компоненты. Часть 2 // Электронные компоненты. 2003. № 1. С. 79–82.
4. Стариков О. Системы радиочастотной идентификации фирмы Texas Instruments // Chip News. 2003. № 3. С. 27–30.