光亮度传感器研究管理论文

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摘要：介绍了一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器LX1970，给出了LX1970芯片的性能特点、工作原理及典型应用电路。LX1970适用于平板显示器的亮度监控系统，可用在笔记本电脑、平板电视及新型手机中。

关键词：亮度；人眼仿真；传感器；背光源；测量；LX1970

1主要特点

目前，笔记本电脑、个人数字助理（PersonalDigi-talAssistant，简称PDA）、平板电视和手机均采用液晶显示器（LCD）。但LCD本身并不发光，它只反射或透射外界光线。为便于在光线较暗的环境中或夜间观察屏幕，就必须给LCD加背光源以增强对比度。利用可见光亮度传感器就可根据环境亮度来自动调节背光源（一般为白色发光二极管）的亮度，这样不仅能获得最佳显示效果，还能降低背光源的功耗。

图1

美国微型半导体（Microsemi）公司推出了一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器LX1970，利用该器件可构成平板显示器的亮度监控系统。此外，它还可用做户外照明灯（例如路灯）控制器，以使照明灯能在黄昏时自动开启，清晨时自动关闭。

LX1970型可见光亮度传感器的性能特点如下：

●内含PIN型光电二极管、高增益放大器和两个互补式电流输出端该光电二极管阵列的光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似，因而能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，并将接收到的可见光转换成电流信号，进而对背光源的亮度进行控制。

●峰值发光波长为520nm，电流灵敏度为0．38μA／lx，暗电流为10nA。

●非线性误差小，重复性好。两个互补输出端的电流不对称度仅为±0．5％，可任选一端作为输出。

●外围电路简单，价格低廉，使用方便。无须使用滤光片即可有效衰减紫外光及红外光。

●微功耗，低压供电。采用2～5．5V电源，电源电流可低至85μA（典型值）。工作温度范围为－40℃～＋85℃。其外形尺寸仅为2．95mm×3mm×1mm。

2LX1970的工作原理

LX1970采用MSOP－8表贴塑料封装，其引脚排列和内部框图如图1所示。

LX1970芯片正面有一个面积为0．369mm2的受光区。UDD和USS分别接电源的正、负极。SNK为电流接收器的引出端，SRC为输出电流源的引出端。其余NC均为空脚。芯片工作时由光电二极管产生的光电流经过高增益放大器送至两个电流输出端，其中一个是电流吸收器的引脚SNK，另一个是输出电流源的引脚SRC，二者的电流分别为ISNK和ISRC。其中ISNK为灌入芯片中的电流，简称灌电流。这两种电流信号通过R1、R2可分别转换成电压信号USNK、USRC。改变R1（或R2）的电阻值可调整电压增益，电阻值允许范围是10kΩ～50kΩ。C1和C2为滤波电容，可用来决定传感器的响应时间。输出USNK与环境亮度成反比，USRC与环境亮度成正比，二者呈互补输出特性，可任选一路信号作为输出电压UO。

LX1970的相对灵敏度与波长的响应曲线如图2中的粗线所示，细线是人眼的响应曲线（峰值波长为550nm）。由图可见，LX1970接收光的波段与人眼非常相近，并且也象人眼一样灵敏。其峰值波长λP为520nm，波段大约为350nm～800nm，能覆盖整个可见光波段（400nm～700nm），而紫外光波段（＜400nm和红外光波段（＞700nm）都很窄，这表明它对可见光的接收灵敏度最高。LX1970在峰值波长为520nm时的灵敏度K为0．38μA／lx，即照度每变化1lx（勒克斯），输出电流变化0．38μA。将照度转换成亮度L（其单位是cd／m2）时，可假定光线照射在一个能满足全反射条件的理想平面上，然后根据1lx＝0．314cd／m2进行转换即可得到亮度值。通常，可用实验的方法来测定亮度与照度的比例系数。

3LX1970的典型应用

3．1白光亮度测量电路

测量白光亮度的电路如图3所示。该电路在工作时先由RCC、电流源和白光LED组成的光源发射出可见光，再由LX1970接收该可见光并转换成电流信号。接下来在SNK端、SRC端各串联一块微安表以分别测量光电流ISNK和ISRC，这样微安表的读数值就反映了亮度的高低。

3．2LCD背光源亮度自动控制电路

当环境亮度明显变暗时，LX1970能自动开启LCD的背光源以使白色LED发光。其亮度自动控制电路如图4所示。图中电阻R1和R2用于设定控制亮度的最小值与最大值。改变电容器C的容值可调整响应时间并能滤除50Hz电网干扰。LX1970采用＋3．3V～＋5V电源。若只使用SRC端，则SNK端应悬空。假定需用0．25V～1．25V的输出电压来驱动白光LED，0．25V代表LED的亮度最小值，1．25V代表亮度最大值那么，可由下式确定R1与R2的比例关系

R1＝[(3／0．25）－1]R2＝11R2

可根据LX1970在给定亮度下的输出电流最大值（ISRCmax）来计算R2值。实际上在ISRCmax为50μA时R2为25kΩ，这样代入上式即可得到275kΩ的R1值。

3．3LX1970评估板的设计

利用LX1970评估板（EvaluationBoard）不仅能检查出LX1970的质量好坏，还可对LCD背光源亮度控制电路进行各种实验，以便为开发新产品提供依据。此外，评估板上的元器件布局以及印制电路的设计也具有参考价值。LX1970的评估板电路如图5所示。它具有以下特点：

第一，可利用一个转盘（上面开着7个不同孔径的小孔）来改变LX1970入射光窗口的大小，转盘与传感器一同装在机壳内；

第二，通过电位器RP1～RP3调整放大器的增益，再经过LX1970驱动两只白色发光二极管（LED1、LED2）发光，以实现亮度调节，从而适应不同的环境亮度条件；

第三，分别改变跳线器J1～J4的接线方式，以对不同电路进行隔离或偏置；

第四，该电路有4个可选择的控制端口，包括SRC的分压二极管引出端口（A）、SRC的电压调整端口（B）、SRC的固定电压端口（C）和SNK的电压调整端口（D）。此外，还有两个输出端（SRC、SNK）其中，端口A为下拉端（经外部电位器接地，可代替LX1970手动调整亮度）。端口B、C、D均为上拉端（经外部电路接正电源或其它正电压）。端口B和端口C用于设置最低输出电压（将RP1调至最小）或调节SRC端的输出。端口D用来设置最高输出电压（将RP2调至最大）或调节SNK端的输出。

跳线器J1用来选择电源，当J1连到“LX1970”位置时，系统只给LX1970供电；J1连至“LED驱动”位置时，则可同时给LX1990供电，LX1990为LED的驱动控制器。J2置于“SRC开路”位置时，将断开SRC引脚的外围电路；J2置于“分压”位置时，则将接通SRC引脚的外围电路。J3置于“VD2输入”位置，可将隔离二极管VD2短路；而J3置于“VD2输出”位置时，VD2则不被短路。J4置于“驱动”位置时将SNK端的输出接到LX1990的输入端ISET；J4置于“SNK上拉”位置时，SNK端的输出将经过端口D接高电平。

需要说明的是：第一，使用端口B时允许将外部PWM信号加至由（RP1＋R1）和（RP2＋R3）构成的分压器的高端，然后通过调节RP1和RP2的值来控制分压比；第二，使用端口C时可用直流电压来控制亮度；第三，利用C1和C3可降低LX1970的响应速度，以避免传感器受外部50Hz光源频率的影响。