能实现人眼仿真的集成可见光亮度传感器LX1970
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增大字体摘要：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（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉ-ｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ，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。
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●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。
２ ＬＸ１９７０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＝０．３１４ ｃｄ／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。
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３ ＬＸ１９７０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。
３．２ ＬＣＤ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。
３．３ ＬＸ１９７０评估板的设计
利用ＬＸ１９７０评估板（Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ Ｂｏａｒｄ）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：
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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。
图5
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作者：佚名
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