将控制逻辑与光传感器合并可改进校准、过滤和分辨率

随着电子产品无缝地融入我们的生活，传感器发挥着越来越重要的作用。光传感器是简单和的传感器之一，允许将它们包含在从夜灯到相机的众多消费产品中。

感知光的方法有很多种。本文着眼于可用的光传感器阵列，并涵盖了分辨率、动态范围和成本方面的权衡。使用带有光传感器的集成电路可以实现片上校准、过滤和提高分辨率。这些进展是针对两种应用进行讨论的：一种是用于笔记本电脑的环境光传感器，另一种是用于手机显示屏。

选择

范围 下表 1显示了光学传感器的范围。 它们按照复杂程度从左到右排列。在合理的订单数量中，它们也是按成本排列的。对权衡的讨论揭示了每单位多花几美分就能买到什么优势。

表 1：可用传感器阵列提供各种性能和成本权衡。

光敏电阻。这是简单的光学传感器。它可以通过两个终端之间的蜿蜒通道来识别。低端版本是用硫化镉制成的；它们更昂贵的对应物是用 GaAs 制成的，这允许在 IC 中包含一个光敏电阻。GaAs 的小带隙（300K 时为 1.4V）允许红外光中的低能光子将电子释放到导带中。参考部分的数据显示为 1lux 至 100lux，但可提供各种电阻值。

光电二极管。这是复杂性的下一步。轰击结的光子产生电流。为了获得使用效果，二极管应该反向偏置。偏置量直接转化为工作质量，因为较大的反向偏置会提高速度和线性度，同时也会增加暗电流和散粒噪声。光会产生正向电流，从反向偏置电流中减去。可以添加外部电路来线性化二极管的 IV 曲线，以放大信号并允许禁用功能。

光电晶体管。它表现出与光电二极管加放大相同的一般特性。它需要更多的偏置电流，但与电流相关的噪声迫使传感器的灵敏度转移到 1-100klux（而不是 7-50klux）的更高 lux 范围。响应时间相似，并且可以使用偏置改变。电流也会随着检测到的信号电平而变化。光电晶体管可以确定室内/室外、白天/夜晚和亮光/阴影等粗糙的环境光水平。仍然需要外部电路来校准输出信号并包括启用。

图 1：缩小设备尺寸允许创建混合设备，例如 EL7900，它将光电二极管和跨阻放大器置于一个封装中。

缩小设备尺寸允许创建混合设备，例如 EL7900。它将光电二极管和跨阻放大器置于一个封装中（上图 1）。

这种组合允许减少引线长度和放大器输入端的寄生电容。当然，这是噪音、高频响应和便利性的条件。

低噪声特性将传感器的灵敏度扩展到 1lux，同时保持 100klux 的上限。消耗的功率仍然取决于感测到的光量，在 1,000 勒克斯时达到 0.9 毫安。为了节省电力，包含一个断电引脚。该设备适用于多种情况，而不仅仅是数码相机。

图 2：ISL29001 系列器件是用于光感测和校准的封装解决方案。

ISL29001 系列器件（上图 2）是用于光传感和校准的封装解决方案。温度补偿光传感器是一个 pin 二极管。传感器的输出经过校准并通过电流放大器馈送，然后进入高通滤波器以消除 60Hz 噪声。在滤波器之后，ADC 和 I2C 接口提供输出信号。

使用 ADC 的两个主要好处是恒定的功率使用和 15 位分辨率。事实上，电流消耗低于所有其他有源设备。ADC 具有一个内部 327.6kHz 时钟，可将器件响应时间设置为 100ms。即使延迟增加，串行 15 位输出信号也使传感器适用于更多应用。

测量光量

光传感器在现代社会无处不在。一些应用，包括条形码阅读器、激光打印机和自动聚焦显微镜，使用反射光和光学检测进行位置感测。其他应用，如数码相机、手机和笔记本电脑，使用光学传感器来测量环境光量。本文进一步研究了第二组。

图 3：笔记本电脑中包含环境光传感器，用于将屏幕的背光调节到观看者舒适的水平。

膝上型电脑中包含环境光传感器，用于将屏幕的背光调节到观看者舒适的水平。舒适级别的范围取决于房间的光线，其关系如上图 3 所示。

屏幕的亮度需要随着环境光的增加而增加，这是可以理解的。不太明显的是需要在光线较暗的条件下降低亮度，以便舒适地观看和延长电池寿命。

在笔记本电脑设计中，环境光传感器通常放置在扬声器旁边，外壳有一个光线开口。这些音频入口通常被交叉影线图案覆盖以保护扬声器。由于这种保护，并且由于光传感器位于扬声器旁边而不是扬声器顶部，因此光线被阻挡了。

图 4：对于低光条件下所需的精度，的传感器选择是带有 ADC 的集成光电二极管

障碍物减少了可用于测量的光量，因此需要具有良好低光精度的解决方案。对于低光条件下所需的精度，传感器选择是带有 ADC 的集成光电二极管（上图 4）。包含一个高通滤波器可限度地减少耦合到背光照明中的电源噪声。

另一个常见的应用是手机中使用的环境光传感器，每节省 mA-hr 就会转化为更长的电池寿命和更满意的客户。启用/禁用功能对于节电、断电功能同样重要。

电池寿命的延长是显着的。通过光传感器调整背光照明，电池寿命至少增加了六倍，假设背光保持全功率，没有来自光传感器的反馈。下图5 是一个完整的手机背光自动控制电路。

图 5：通过光传感器调整背光照明，电池寿命至少增加了六倍，假设背光保持全功率，没有来自光传感器的反馈。

EL7900 感应环境光强度并输出与该强度成比例的电流。光强（E）与输出电流（ I out ）的关系如下：

光传感器输出电流注入白光 LED 驱动器的反馈输入。在明亮的环境中，光传感器为反馈节点提供更多电流。结果，它降低了白光 LED 的输出电流和输出光强度。环境光强度与白光 LED 输出电流之间的关系如下所示：

有各种价格合理的小型封装光学传感器可供选择。几十年来，被动解决方案一直在为消费者提供夜灯和数码相机。有源解决方案增加了环境光传感器的范围和实用性。典型的有源解决方案将光电晶体管或光电二极管与电流放大器集成在一起。