起初看起來很矛盾。如果您想節(jié)省電力和能源，請?zhí)砑痈嗫晌‰娏湍茉吹脑O(shè)備。但是，有些情況下這是您最好的設(shè)計(jì)策略。添加技術(shù)可以在不犧牲性能或功能的情況下實(shí)時(shí)和累積地減少持續(xù)消耗的能量。

我們將看到的一個(gè)很好的例子是添加環(huán)境光傳感器以減少背光在柔和的照明條件下的功耗。這不是一個(gè)新概念，不同類型的更多設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)施，測試和證明是值得的。然而，改變的是可用于超小型和小型化光檢測的技術(shù)，同時(shí)在無電流的情況下進(jìn)行繪制。

本文探討了環(huán)境光傳感技術(shù)和設(shè)計(jì)解決方案，可用于為使用背光的現(xiàn)代手持設(shè)備增加電池壽命和運(yùn)行時(shí)間。

傳統(tǒng)方法

硫化鎘光電探測器歷來被用于檢測光照水平但不是理想的緊湊型和手持設(shè)備的解決方案。它們的第一個(gè)缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間慢。雖然上升和下降時(shí)間可以在大約1/10秒內(nèi)傳輸，但是滿量程飽和和放電可能需要5到10秒。

另一個(gè)缺點(diǎn)是它們的尺寸很大。這些電池需要一定數(shù)量的探測器材料，較大的通孔封裝占用過多的PCB表面積，使其成為快速反應(yīng)的節(jié)能技術(shù)。

對于光學(xué)和環(huán)境光應(yīng)用，光電二極管和光電晶體管是光敏感的最簡單和最小形式的傳感器。要考慮的關(guān)鍵參數(shù)將是約束驅(qū)動(dòng)。手持式應(yīng)用程序通常支持絕對最小的大小。關(guān)鍵是所選部件的光譜響應(yīng)。雖然大多數(shù)光電二極管和光電晶體管都處于紅外線范圍內(nèi)，但許多光電二極管和光電晶體管都支持可見光范圍并且還提供小型封裝。

以Vishay TEMD6200FX01 PIN光電二極管為例，它采用0805表面貼裝封裝（圖1）。它的高光敏性適合于人眼的反應(yīng)，因此其±60度的靈敏度應(yīng)該采集寬錐形環(huán)境光水平的樣品。它也主要通過可見光范圍，盡管它在850-1100 nm紅外波段也具有靈敏度。這可以針對環(huán)境光應(yīng)用進(jìn)行過濾，或保持敏感，允許相同的傳感器為夜間弱光條件提供IR輸入源。

圖1：采用0805表面貼裝尺寸封裝，該光電二極管以指數(shù)線性方式對可見光范圍敏感，以匹配響應(yīng)使用光電二極管，吸收入射光子會產(chǎn)生電子 - 空穴對，也稱為推動(dòng)電荷產(chǎn)生電流的載體。光電二極管的另一個(gè)特點(diǎn)是反向偏置PN結(jié)電流對指數(shù)光強(qiáng)度提供最線性的響應(yīng)，這就是為什么Vishay部件與人眼很好地匹配 - 它也會以指數(shù)方式響應(yīng)光強(qiáng)度（圖2）。/p>

圖2：線性反向偏置光電流響應(yīng)提供了一種簡單的解決方案，可將光級數(shù)據(jù)合并到背光控制算法中。

憑借可靠的特性響應(yīng)曲線，幾乎任何微控制器上的簡單A/D轉(zhuǎn)換器都可以獲得準(zhǔn)確的值，而無需大量處理或查找表。最簡單的解決方案是由串聯(lián)電阻產(chǎn)生的固定反向偏置電壓發(fā)生器（圖3A）。讀入微觀的值可以直接用于與已知的球場閾值進(jìn)行比較。這種階躍響應(yīng)是低分辨率，但可能是使用簡單步進(jìn)算法切換背光水平所需的全部。

稍微大一點(diǎn)的解決方案是在微型A/D級上使用差分輸入和偏置兩個(gè)電阻器之間的光電二極管（圖3B）。這不僅提供了完全線性的響應(yīng)，而且對共模噪聲也相對不敏感。

圖3：單端接地參考（A，左）或差分偏置（B，右）可以讓簡單的光電二極管直接連接到大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器級。

跨阻抗運(yùn)算放大器方法

能夠最大化A/D轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍和分辨率的精密解決方案需要有源解決方案，可以衰減，偏移和放大信號，為主機(jī)微控制器提供最大的軌到軌電平。跨阻抗運(yùn)算放大器是連接高阻抗傳感器的理想解決方案，光電二極管也不例外。在這里，我們正在有效地創(chuàng)建一個(gè)精密電流傳感器。

PIN光電二極管的設(shè)計(jì)階段需要DC穩(wěn)定性補(bǔ)償，閉環(huán)增益選擇和噪聲控制。將光電二極管放置在運(yùn)算放大器輸入端，可創(chuàng)建以地為參考的光伏解決方案，以最大限度地減少直流誤差（圖4）。

圖4：跨阻抗運(yùn)算放大器方法將增加所需的PCB表面積，但允許補(bǔ)償，DC偏移和降噪以及將有助于降低增益峰值以提供更均勻的響應(yīng)。

在圖4所示的示例中，D1可以是Vishay表面貼裝部件，或者是可以彎曲的OSRAM SFH 203 P等引線部件并且旨在提供側(cè)面或角度覆蓋。選用的運(yùn)算放大器采用SOT-23-5封裝的軌到軌Microchip MCP6001U，具有100μA的低電流電源，4.5 mV的低失調(diào)電壓和低至1.8 V的低電源電壓。

類似的器件，Microchip MCP6031T-E/OT受限于10 KHz增益帶寬范圍。這可能并不重要，因?yàn)橥ǔＴ贛CP6001支持的1 MHz速率下，亮度水平不會發(fā)生變化。 MCP6031的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在現(xiàn)成的Microchip MCP6031DM-PTPLS光電二極管PICtail Plus演示和開發(fā)板上使用。這說明了偏置和DC穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)了低通濾波器以降低噪聲。 Microchip還提供了使用光電二極管放大高阻抗傳感器技術(shù)的用戶指南，例如 1 。

自包含系統(tǒng)

增加偏置控制，自定時(shí)，溫度補(bǔ)償和數(shù)字接口允許單片片上系統(tǒng)在更高級別的功能下執(zhí)行，同時(shí)保持空間緊張。以Lite-On LTR-329ALS-01光學(xué)傳感器子系統(tǒng)芯片為例。

這款超小型（2 mm x 2 mm）芯片LED封裝包含紅外和可見光二極管，可生產(chǎn)歸一化光譜響應(yīng)輸出，溫度補(bǔ)償范圍為-30至+ 70°C。它還與人眼響應(yīng)相匹配，可以使用六種可選增益設(shè)置中的一種，適用于0.01 lux至64K lux的寬動(dòng)態(tài)范圍。一個(gè)簡單的2線I 2 C接口允許主機(jī)微控制器設(shè)置和初始化所有內(nèi)部寄存器，并以有效的16位分辨率讀取光電平。

另一個(gè)高度集成的解決方案的例子來自AMS-TAOS及其TSL27721FN光數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。此外，該器件采用2 mm x 2 mm封裝，具有中斷功能，僅在需要時(shí)喚醒低功耗休眠處理器。還包括接近檢測器LED電流驅(qū)動(dòng)器，用于檢測傳感器可以檢測到的反射信號的存在。極限電平可通過2線I 2 C端口設(shè)置和編程（圖5）。

圖5 ：單個(gè)2 mm x 2 mm芯片不僅可以傳輸校準(zhǔn)的環(huán)境光水平，還可以兼作具有中斷喚醒功能的接近檢測器。請注意兩個(gè)通道的上限和下限設(shè)置。

總之

在可預(yù)見的將來，延長手持設(shè)備的電池運(yùn)行時(shí)間仍將是一個(gè)主要問題。工程師揮舞著最鋒利的鉛筆 - 那些能夠在不犧牲性能的情況下保存能量的工程師 - 將會產(chǎn)生成功的設(shè)計(jì)。環(huán)境光檢測是增加電路可以產(chǎn)生影響的不尋常技術(shù)之一。正如我們所示，有一系列可用的解決方案，其中一些必須符合您的預(yù)算和其他設(shè)計(jì)約束。