將控制邏輯與光傳感器合并可改進(jìn)校準(zhǔn)、過(guò)濾和分辨率

    隨著電子產(chǎn)品無(wú)縫地融入我們的生活，傳感器發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。光傳感器是簡(jiǎn)單和的傳感器之一，允許將它們包含在從夜燈到相機(jī)的眾多消費(fèi)產(chǎn)品中。
    感知光的方法有很多種。本文著眼于可用的光傳感器陣列，并涵蓋了分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和成本方面的權(quán)衡。使用帶有光傳感器的集成電路可以實(shí)現(xiàn)片上校準(zhǔn)、過(guò)濾和提高分辨率。這些進(jìn)展是針對(duì)兩種應(yīng)用進(jìn)行討論的：一種是用于筆記本電腦的環(huán)境光傳感器，另一種是用于手機(jī)顯示屏。
    選擇

    范圍 下表 1顯示了光學(xué)傳感器的范圍。 它們按照復(fù)雜程度從左到右排列。在合理的訂單數(shù)量中，它們也是按成本排列的。對(duì)權(quán)衡的討論揭示了每單位多花幾美分就能買到什么優(yōu)勢(shì)。

    表 1：可用傳感器陣列提供各種性能和成本權(quán)衡。
    光敏電阻。這是簡(jiǎn)單的光學(xué)傳感器。它可以通過(guò)兩個(gè)終端之間的蜿蜒通道來(lái)識(shí)別。低端版本是用硫化鎘制成的；它們更昂貴的對(duì)應(yīng)物是用 GaAs 制成的，這允許在 IC 中包含一個(gè)光敏電阻。GaAs 的小帶隙（300K 時(shí)為 1.4V）允許紅外光中的低能光子將電子釋放到導(dǎo)帶中。參考部分的數(shù)據(jù)顯示為 1lux 至 100lux，但可提供各種電阻值。
    光電二極管。這是復(fù)雜性的下一步。轟擊結(jié)的光子產(chǎn)生電流。為了獲得使用效果，二極管應(yīng)該反向偏置。偏置量直接轉(zhuǎn)化為工作質(zhì)量，因?yàn)檩^大的反向偏置會(huì)提高速度和線性度，同時(shí)也會(huì)增加暗電流和散粒噪聲。光會(huì)產(chǎn)生正向電流，從反向偏置電流中減去?？梢蕴砑油獠侩娐穪?lái)線性化二極管的 IV 曲線，以放大信號(hào)并允許禁用功能。

    光電晶體管。它表現(xiàn)出與光電二極管加放大相同的一般特性。它需要更多的偏置電流，但與電流相關(guān)的噪聲迫使傳感器的靈敏度轉(zhuǎn)移到 1-100klux（而不是 7-50klux）的更高 lux 范圍。響應(yīng)時(shí)間相似，并且可以使用偏置改變。電流也會(huì)隨著檢測(cè)到的信號(hào)電平而變化。光電晶體管可以確定室內(nèi)/室外、白天/夜晚和亮光/陰影等粗糙的環(huán)境光水平。仍然需要外部電路來(lái)校準(zhǔn)輸出信號(hào)并包括啟用。

    圖 1：縮小設(shè)備尺寸允許創(chuàng)建混合設(shè)備，例如 EL7900，它將光電二極管和跨阻放大器置于一個(gè)封裝中。
    縮小設(shè)備尺寸允許創(chuàng)建混合設(shè)備，例如 EL7900。它將光電二極管和跨阻放大器置于一個(gè)封裝中（上圖 1）。
    這種組合允許減少引線長(zhǎng)度和放大器輸入端的寄生電容。當(dāng)然，這是噪音、高頻響應(yīng)和便利性的條件。

    低噪聲特性將傳感器的靈敏度擴(kuò)展到 1lux，同時(shí)保持 100klux 的上限。消耗的功率仍然取決于感測(cè)到的光量，在 1,000 勒克斯時(shí)達(dá)到 0.9 毫安。為了節(jié)省電力，包含一個(gè)斷電引腳。該設(shè)備適用于多種情況，而不僅僅是數(shù)碼相機(jī)。

    圖 2：ISL29001 系列器件是用于光感測(cè)和校準(zhǔn)的封裝解決方案。
    ISL29001 系列器件（上圖 2）是用于光傳感和校準(zhǔn)的封裝解決方案。溫度補(bǔ)償光傳感器是一個(gè) pin 二極管。傳感器的輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)并通過(guò)電流放大器饋送，然后進(jìn)入高通濾波器以消除 60Hz 噪聲。在濾波器之后，ADC 和 I2C 接口提供輸出信號(hào)。
    使用 ADC 的兩個(gè)主要好處是恒定的功率使用和 15 位分辨率。事實(shí)上，電流消耗低于所有其他有源設(shè)備。ADC 具有一個(gè)內(nèi)部 327.6kHz 時(shí)鐘，可將器件響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為 100ms。即使延遲增加，串行 15 位輸出信號(hào)也使傳感器適用于更多應(yīng)用。
    測(cè)量光量

    光傳感器在現(xiàn)代社會(huì)無(wú)處不在。一些應(yīng)用，包括條形碼閱讀器、激光打印機(jī)和自動(dòng)聚焦顯微鏡，使用反射光和光學(xué)檢測(cè)進(jìn)行位置感測(cè)。其他應(yīng)用，如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)和筆記本電腦，使用光學(xué)傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境光量。本文進(jìn)一步研究了第二組。

    圖 3：筆記本電腦中包含環(huán)境光傳感器，用于將屏幕的背光調(diào)節(jié)到觀看者舒適的水平。
    膝上型電腦中包含環(huán)境光傳感器，用于將屏幕的背光調(diào)節(jié)到觀看者舒適的水平。舒適級(jí)別的范圍取決于房間的光線，其關(guān)系如上圖 3 所示。
    屏幕的亮度需要隨著環(huán)境光的增加而增加，這是可以理解的。不太明顯的是需要在光線較暗的條件下降低亮度，以便舒適地觀看和延長(zhǎng)電池壽命。

    <>在筆記本電腦設(shè)計(jì)中，環(huán)境光傳感器通常放置在揚(yáng)聲器旁邊，外殼有一個(gè)光線開口。這些音頻入口通常被交叉影線圖案覆蓋以保護(hù)揚(yáng)聲器。由于這種保護(hù)，并且由于光傳感器位于揚(yáng)聲器旁邊而不是揚(yáng)聲器頂部，因此光線被阻擋了。

    圖 4：對(duì)于低光條件下所需的精度，的傳感器選擇是帶有 ADC 的集成光電二極管

    障礙物減少了可用于測(cè)量的光量，因此需要具有良好低光精度的解決方案。對(duì)于低光條件下所需的精度，傳感器選擇是帶有 ADC 的集成光電二極管（上圖 4）。包含一個(gè)高通濾波器可限度地減少耦合到背光照明中的電源噪聲。
    另一個(gè)常見的應(yīng)用是手機(jī)中使用的環(huán)境光傳感器，每節(jié)省 mA-hr 就會(huì)轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的電池壽命和更滿意的客戶。啟用/禁用功能對(duì)于節(jié)電、斷電功能同樣重要。

    電池壽命的延長(zhǎng)是顯著的。通過(guò)光傳感器調(diào)整背光照明，電池壽命至少增加了六倍，假設(shè)背光保持全功率，沒有來(lái)自光傳感器的反饋。下圖5 是一個(gè)完整的手機(jī)背光自動(dòng)控制電路。

    圖 5：通過(guò)光傳感器調(diào)整背光照明，電池壽命至少增加了六倍，假設(shè)背光保持全功率，沒有來(lái)自光傳感器的反饋。
    EL7900 感應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)度并輸出與該強(qiáng)度成比例的電流。光強(qiáng)（E）與輸出電流（ I out ）的關(guān)系如下：
    光傳感器輸出電流注入白光 LED 驅(qū)動(dòng)器的反饋輸入。在明亮的環(huán)境中，光傳感器為反饋節(jié)點(diǎn)提供更多電流。結(jié)果，它降低了白光 LED 的輸出電流和輸出光強(qiáng)度。環(huán)境光強(qiáng)度與白光 LED 輸出電流之間的關(guān)系如下所示：
    有各種價(jià)格合理的小型封裝光學(xué)傳感器可供選擇。幾十年來(lái)，被動(dòng)解決方案一直在為消費(fèi)者提供夜燈和數(shù)碼相機(jī)。有源解決方案增加了環(huán)境光傳感器的范圍和實(shí)用性。典型的有源解決方案將光電晶體管或光電二極管與電流放大器集成在一起。