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光传感器新走向:有源集成Vs无源分立

数读市场中国仪表网2006年11月09日 11:29人气:4488

采用小型封装的光传感器多种多样,而且价格合理。数十年来,无源器件一直活跃市场,随着光敏电阻、光电二极管及光电晶体管等变得越来越普通和便宜,它们被从夜间照明灯到数码相机的众多消费产品广泛采用。而登场不久的集成器件把一个光电晶体管或光电二极管与电流放大器集成起来,以实现片上校准、过滤和更高的分辨率。当分辨率较高时,低光能力、电源抑制等功能发挥作用,这类器件正在扩大环境光传感器的应用范围和有效性。 

  光传感器类型 

  这些传感器按复杂程度从左至右排列,下面将讨论性能与成本的综合情况。 

  最简单的光传感器是光敏电阻,可以通过两个终端之间的通道来对其鉴别。低端版本使用CdS(硫化镉)制造,而比较昂贵的类型则使用GaAs制造。GaAs的能带隙较小,使其能够吸收红外光中的低能光子,使电子跃迁到传导带。参考元件的数据显示,其照度范围是1~100lux,但具有各种阻值。 

  各种可用传感器提供了多种性价比选择。 

  光电二极管的复杂性更高一些。光子轰击半导体结,产生电流。为了充分发挥作用,光电二极管应该反偏压。偏压直接转化成操作质量,因较大的反偏压可以提高速度和线性度,同时还可以提高暗电流和散粒噪声(shotnoise)。光将产生正向电流,降低反偏电流。可以为光电二极管增加外部电路,使I-V曲线线性化,以放大信号和允许实现失效功能。 

  光电晶体管的一般特点与光电二极管一样,增加了放大特点。它要求更大的偏流,但与电流相伴的噪声迫使传感器的灵敏度转向更高的lux范围,即1k~100klux(而不是7k~50klux)。响应时间与光电二极管相似,可以利用偏流进行调整。电流也可以随探测到的信号水平进行变化。光电晶体管能够粗糙地确定环境光线水平,如室内/室外、白天/夜间和明亮光线/阴影,这类器件也需要外部电路以校准输出信号,并包括一个启用功能。 

  元件尺寸的不断缩小,使得人们能够设计出集成式器件,如EL7900。该器件将一个光敏电阻和一个互阻放大器放置在一个封装之中。采用这种组合可以缩短引线长度,并使放大器输入中的寄生电容最小,这是实现噪声最小、频率响应高和方便性的理想条件。低噪声特性可以把传感器的灵敏度扩展到1lux,同时保持上限在100lux。功耗仍然取决于感应到的光量,1,000lux时电流为0.9mA。为了节省电力,采用了一个省电(power-down)引脚。除数码相机外,该器件适用于许多场合。 

  更进一步的集成体现在ISL29001这样的器件上,它是面向光感应和校准的套装解决方案。这种温度补偿光传感器是一种PIN二极管。在进入一个高通滤波器之前,该传感器的输出经过校准并送入一个放大器之中,以消除60Hz噪声。在经过滤波器之后,一个模数转换器(ADC)和I2C接口提供输出信号。 

  利用ADC具有两个好处,一是功耗可以保持不变,二是能达到15bit的分辨率。实际上,其电流消耗低于表中所有其它的有源器件。ADC具有一个内部327.6kHz时钟,把该器件的响应时间设定在100ms。甚至在延迟增加的情况下,串行15bit输出信号也使得该传感器适用于比较广泛的应用。 

  光传感器在便携产品上的应用 

  ISL29001能达到15bit的分辨率。 

  光传感器在的应用非常普遍。有些应用利用光学探测的反射光来对位置进行感应,其中包括条形码阅读器、激光打印机和自动聚焦显微镜。数码相机、手机和笔记本电脑等便携电子产品等应用则利用光传感器来测量环境光量。我们将进一步讨论上述的第二类应用。 

  笔记本电脑中的环境光传感器,用于调整屏幕的背光,使之达到看着舒适的水平。背光的舒适范围取决于房间的光线情况,可想而知,屏幕的亮度需要随着环境光线亮度增加,而在光线较弱的情况下,为了看着舒服和延长电池寿命,屏幕亮度则需要下降。 

  在笔记本电脑设计中,环境光传感器通常挨着扬声器,而不是在其上面,机器在扬声器的位置有一个开口,光线可以进入内部。这些音频端口通常覆盖着网状物,以保护扬声器,由于这种保护,光线被阻断,这使得可测量到的光量减少,因此需要采用具有良好的暗光精度的解决方案。为了获得低光条件下所需的精度,最好选择具有ADC的集成式光电二极管。同时,采用高通滤波器可以把电源噪声降至最低水平,防止其耦合进入背光照明。 

  另一个普遍应用是手机中的环境光感应。在这种应用中,每节省一个毫安,都意味着电池寿命延长和客户满意度的增加。利用光传感器调节背光照明,电池寿命至少延长6倍(假定在没有光传感器反馈时背光保持在全功率状态)。 

  以EL7900为例,它在手机中感应到环境光强度,并输出与光强成比例的电流,输出电流注入到白光led驱动器的反馈输入。在明亮环境中,光传感器把较多的电流送入反馈节点,因此,它降低了白光LED的输出电流和输出光强,从而达到节电的目的。 
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