光傳感器新走向：有源集成Vs無(wú)源分立

采用小型封裝的光傳感器多種多樣，而且價(jià)格合理。數(shù)十年來(lái)，無(wú)源器件一直活躍市場(chǎng)，隨著光敏電阻、光電二極管及光電晶體管等變得越來(lái)越普通和便宜，它們被從夜間照明燈到數(shù)碼相機(jī)的眾多消費(fèi)產(chǎn)品廣泛采用。而登場(chǎng)不久的集成器件把一個(gè)光電晶體管或光電二極管與電流放大器集成起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)片上校準(zhǔn)、過(guò)濾和更高的分辨率。當(dāng)分辨率較高時(shí)，低光能力、電源抑制等功能發(fā)揮作用，這類器件正在擴(kuò)大環(huán)境光傳感器的應(yīng)用范圍和有效性。

光傳感器類型

如表所示，這些傳感器按復(fù)雜程度從左至右排列，下面將討論性能與成本的綜合情況。

最簡(jiǎn)單的光傳感器是光敏電阻，可以通過(guò)兩個(gè)終端之間的通道來(lái)對(duì)其鑒別。低端版本使用CdS(硫化鎘)制造，而比較昂貴的類型則使用GaAs制造。GaAs的能帶隙較小，使其能夠吸收紅外光中的低能光子，使電子躍遷到傳導(dǎo)帶。參考元件的數(shù)據(jù)顯示，其照度范圍是1~100lux，但具有各種阻值。

各種可用傳感器提供了多種性價(jià)比選擇。

光電二極管的復(fù)雜性更高一些。光子轟擊半導(dǎo)體結(jié)，產(chǎn)生電流。為了充分發(fā)揮作用，光電二極管應(yīng)該反偏壓。偏壓直接轉(zhuǎn)化成操作質(zhì)量，因較大的反偏壓可以提高速度和線性度，同時(shí)還可以提高暗電流和散粒噪聲(shotnoise)。光將產(chǎn)生正向電流，降低反偏電流?？梢詾楣怆姸O管增加外部電路，使I-V曲線線性化，以放大信號(hào)和允許實(shí)現(xiàn)失效功能。

光電晶體管的一般特點(diǎn)與光電二極管一樣，增加了放大特點(diǎn)。它要求更大的偏流，但與電流相伴的噪聲迫使傳感器的靈敏度轉(zhuǎn)向更高的lux范圍，即1k～100klux(而不是7k～50klux)。響應(yīng)時(shí)間與光電二極管相似，可以利用偏流進(jìn)行調(diào)整。電流也可以隨探測(cè)到的信號(hào)水平進(jìn)行變化。光電晶體管能夠粗糙地確定環(huán)境光線水平，如室內(nèi)/室外、白天/夜間和明亮光線/陰影，這類器件也需要外部電路以校準(zhǔn)輸出信號(hào)，并包括一個(gè)啟用功能。

元件尺寸的不斷縮小，使得人們能夠設(shè)計(jì)出集成式器件，如EL7900。該器件將一個(gè)光敏電阻和一個(gè)互阻放大器放置在一個(gè)封裝之中。采用這種組合可以縮短引線長(zhǎng)度，并使放大器輸入中的寄生電容最小，這是實(shí)現(xiàn)噪聲最小、頻率響應(yīng)高和方便性的理想條件。低噪聲特性可以把傳感器的靈敏度擴(kuò)展到1lux，同時(shí)保持上限在100lux。功耗仍然取決于感應(yīng)到的光量，1,000lux時(shí)電流為0.9mA。為了節(jié)省電力，采用了一個(gè)省電(power-down)引腳。除數(shù)碼相機(jī)外，該器件適用于許多場(chǎng)合。

更進(jìn)一步的集成體現(xiàn)在ISL29001這樣的器件上，它是面向光感應(yīng)和校準(zhǔn)的套裝解決方案。這種溫度補(bǔ)償光傳感器是一種PIN二極管。在進(jìn)入一個(gè)高通濾波器之前，該傳感器的輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)并送入一個(gè)放大器之中，以消除60Hz噪聲。在經(jīng)過(guò)濾波器之后，一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和I2C接口提供輸出信號(hào)。

利用ADC具有兩個(gè)好處，一是功耗可以保持不變，二是能達(dá)到15bit的分辨率。實(shí)際上，其電流消耗低于表中所有其它的有源器件。ADC具有一個(gè)內(nèi)部327.6kHz時(shí)鐘，把該器件的響應(yīng)時(shí)間設(shè)定在100ms。甚至在延遲增加的情況下，串行15bit輸出信號(hào)也使得該傳感器適用于比較廣泛的應(yīng)用。

光傳感器在便攜產(chǎn)品上的應(yīng)用

ISL29001能達(dá)到15bit的分辨率。

光傳感器在的應(yīng)用非常普遍。有些應(yīng)用利用光學(xué)探測(cè)的反射光來(lái)對(duì)位置進(jìn)行感應(yīng)，其中包括條形碼閱讀器、激光打印機(jī)和自動(dòng)聚焦顯微鏡。數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)和筆記本電腦等便攜電子產(chǎn)品等應(yīng)用則利用光傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境光量。我們將進(jìn)一步討論上述的第二類應(yīng)用。

筆記本電腦中的環(huán)境光傳感器，用于調(diào)整屏幕的背光，使之達(dá)到看著舒適的水平。背光的舒適范圍取決于房間的光線情況，可想而知，屏幕的亮度需要隨著環(huán)境光線亮度增加，而在光線較弱的情況下，為了看著舒服和延長(zhǎng)電池壽命，屏幕亮度則需要下降。

在筆記本電腦設(shè)計(jì)中，環(huán)境光傳感器通常挨著揚(yáng)聲器，而不是在其上面，機(jī)器在揚(yáng)聲器的位置有一個(gè)開(kāi)口，光線可以進(jìn)入內(nèi)部。這些音頻端口通常覆蓋著網(wǎng)狀物，以保護(hù)揚(yáng)聲器，由于這種保護(hù)，光線被阻斷，這使得可測(cè)量到的光量減少，因此需要采用具有良好的暗光精度的解決方案。為了獲得低光條件下所需的精度，最好選擇具有ADC的集成式光電二極管。同時(shí)，采用高通濾波器可以把電源噪聲降至最低水平，防止其耦合進(jìn)入背光照明。

另一個(gè)普遍應(yīng)用是手機(jī)中的環(huán)境光感應(yīng)。在這種應(yīng)用中，每節(jié)省一個(gè)毫安，都意味著電池壽命延長(zhǎng)和客戶滿意度的增加。利用光傳感器調(diào)節(jié)背光照明，電池壽命至少延長(zhǎng)6倍(假定在沒(méi)有光傳感器反饋時(shí)背光保持在全功率狀態(tài))。

以EL7900為例，它在手機(jī)中感應(yīng)到環(huán)境光強(qiáng)度，并輸出與光強(qiáng)成比例的電流，輸出電流注入到白光led驅(qū)動(dòng)器的反饋輸入。在明亮環(huán)境中，光傳感器把較多的電流送入反饋節(jié)點(diǎn)，因此，它降低了白光LED的輸出電流和輸出光強(qiáng)，從而達(dá)到節(jié)電的目的。