光傳感器新走向：有源集成Vs無源分立

采用小型封裝的光傳感器多種多樣，而且價格合理。數(shù)十年來，無源器件一直活躍市場，隨著光敏電阻、光電二極管及光電晶體管等變得越來越普通和便宜，它們被從夜間照明燈到數(shù)碼相機的眾多消費產(chǎn)品廣泛采用。而登場不久的集成器件把一個光電晶體管或光電二極管與電流放大器集成起來，以實現(xiàn)片上校準(zhǔn)、過濾和更高的分辨率。當(dāng)分辨率較高時，低光能力、電源抑制等功能發(fā)揮作用，這類器件正在擴大環(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。

最簡單的光傳感器是光敏電阻，可以通過兩個終端之間的通道來對其鑒別。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。可以為光電二極管增加外部電路，使I-V曲線線性化，以放大信號和允許實現(xiàn)失效功能。

光電晶體管的一般特點與光電二極管一樣，增加了放大特點。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)時間與光電二極管相似，可以利用偏流進行調(diào)整。電流也可以隨探測到的信號水平進行變化。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，并包括一個啟用功能。

元件尺寸的不斷縮小，使得人們能夠設(shè)計出集成式器件，如EL7900。該器件將一個光敏電阻和一個互阻放大器放置在一個封裝之中。采用這種組合可以縮短引線長度，并使放大器輸入中的寄生電容最小，這是實現(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展到1lux，同時保持上限在100lux。功耗仍然取決于感應(yīng)到的光量，1,000lux時電流為0.9mA。為了節(jié)省電力，采用了一個省電(power-down)引腳。除數(shù)碼相機外，該器件適用于許多場合。

更進一步的集成體現(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。這種溫度補償光傳感器是一種PIN二極管。在進入一個高通濾波器之前，該傳感器的輸出經(jīng)過校準(zhǔn)并送入一個放大器之中，以消除60Hz噪聲。在經(jīng)過濾波器之后，一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和I2C接口提供輸出信號。

利用ADC具有兩個好處，一是功耗可以保持不變，二是能達到15bit的分辨率。實際上，其電流消耗低于表中所有其它的有源器件。ADC具有一個內(nèi)部327.6kHz時鐘，把該器件的響應(yīng)時間設(shè)定在100ms。甚至在延遲增加的情況下，串行15bit輸出信號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)探測的反射光來對位置進行感應(yīng)，其中包括條形碼閱讀器、激光打印機和自動聚焦顯微鏡。數(shù)碼相機、手機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測量環(huán)境光量。我們將進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電池壽命，屏幕亮度則需要下降。

在筆記本電腦設(shè)計中，環(huán)境光傳感器通常挨著揚聲器，而不是在其上面，機器在揚聲器的位置有一個開口，光線可以進入內(nèi)部。這些音頻端口通常覆蓋著網(wǎng)狀物，以保護揚聲器，由于這種保護，光線被阻斷，這使得可測量到的光量減少，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，采用高通濾波器可以把電源噪聲降至最低水平，防止其耦合進入背光照明。

另一個普遍應(yīng)用是手機中的環(huán)境光感應(yīng)。在這種應(yīng)用中，每節(jié)省一個毫安，都意味著電池壽命延長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6倍(假定在沒有光傳感器反饋時背光保持在全功率狀態(tài))。

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