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电工技术基础 接近光及环境光感应器Si1120的工作原理是什么？如何应用？
Si1120是一款低耗能、反射型接近光及环境光感应器，配有先进的模拟信号处理及模拟PWM输出。包括集成型分化光电二极管、信号处理器及LED驱动。接近感应基于测量外部、光隔离及选通的LED的反射光。环境光感应中使用的是一个单独的可见光光电二极管。Si1120的标准包装是8引脚ODFN。
图2-266和表2-161分别给出了Si1120的引脚封装图与引脚说明。
Si1120具有如下的特点：
PWM输出
环境光传感器
七种精密光学测量模式：
3临近传感范围
3dc环境光传感范围
1种校准模式
低噪声环境消除电路具备最高灵敏度和8～12位分辨率
可在直射阳光( lOOklx)条件下工作
最低反射灵敏度<ILiW/cm2
高电磁抗扰性，无屏蔽封装
电源：2.2～3.7V 工作温度范围：-40～+85℃
典型的lOLLA电流消耗
可编程400/50m ALED恒定电流驱动程序输出
允许独立的LED电源电压
1．工作原理
如图2-267所示，Si1120是一款配有脉冲宽度调制输出的激活光反射接近探测器及环境光感应器。视选中模式而定，PRX激活（低）状态的持续时间与反射光总量、零反射偏差量或环境光总量成比例。可通过调整STX信号频率设置检测率。 相比于仅适合触发事件的单端口、运动型红外系统，双端口、激活反射接近探测器具有明显的优势。运动检测仅识别近似运动的物体，而不能明确识别静止的物体。Si1120可进行内部或外部的接近探测，较为可靠地确定一个物体是否已离开接近区域或仍处于该区域（甚至当该物体并未运动时）
应用接近探测技术的一个例子即是控制移动电话的显示和扬声器。在该类应用中，当手机紧靠耳部时则会关闭耗电的显示并禁用扬声器，而当手机移到离耳部数英寸以外时，则会再次开启显示（亦可选择扬声器）。
对较小物体而言，反射会随着距离的四次方减弱；换言之，距离模糊程度要小于被动型的基于运动的装置。举例而言，如物体的反射变化了16倍，那么其探测范围仅会减弱一半。Si1120也可由外部控制器设置的比率定期测量接近。
Si1120模式为：
PRX400接近，400mA LED电流
PRX50接近，50mA LED电流
PRX50H接近，50mA LED电流，高反射范围
OFC偏差校准（接近模式，无LED电流） VAMB可见环境（lOklx日光）
VRL可见及红外环境光，较低范围（500lx日光）
VIRH叮见及红外环境光，较高范围（128klx日光）
2．工作模式选择
Si1120特有关机模式、三种接近探测模式、三种环境光感应模式及专为高敏感度模式而设的偏差校准。按照SC（关机／时钟）、MD（模式）及STX（选通／传输）引脚顺序完成模式选择。
当SC较高时，没备将无条件地进入关机模式。每个MD及STX输入应设置有效的高或低状态。在关机模式中，PRX输出是三态的，而电源及TXO的输出泄漏电流可以忽略。
通过对SC下降沿的MD和STX状态计时，再将MD设为所需状态，即可设置激活模式。如将SC值设置过高会导致强制关机，有鉴于此，SC须在所选模式中保持低水平以保证该模式的运行。图2-268中的时间图阐明了编程顺序。表2-162显示出多种模式编码。设计好正确模式后，STX输入即可用于触发测量。
如必须改变模式，则需重新设置SC引脚（设为更高值），在这种情况下，需设置关机模式，且当SC恢复较低水平时，启动选中的模式约出现500Us的启动延时。模式改变后，STX必须在通电延时期间保持低状态。如果主机过早设置STX，则Si1120可能无法开始测量周期；PRX无法维护。如果出现此情况，主机可通过切换STX重新开始测量。
3．接近模式
在接近模式里，LED发送的光脉冲由目标反射至光电二极管并经Si1120模拟电路处理。接收器检测到由附近物体反射的光，而后Si1120将光信号转化为脉冲，且PRX输出的持续时间与反射光总量成比例。LED在PRX脉冲的下降沿（一上升沿）关闭。通过降低STX，检测循环在PRX脉冲结束之前可能中断。这样系统设计者即可限制应用时在无高反射率阶段的最长LED“接通”时间，从而节省电力并将LED负载循环减至最低。在设定时间中断检测循环亦可依据对STX输入的下降（落下）沿的PRX输出状态的采样比较快速阈值。STX下降时激活（低）PRX输出表示物体在检测范围内。强行缩短检测循环亦可获得更快的接近测量速率，从而使更多的样品被平均分析以得出信噪比的总体增加值，参见图2-269和图2-270。
如检测长范围，则可选择PRX400模式（见图2-271）。检测短范围，则可选择PRX50模式（见图2-272）。PRX50H模式（见图2-273）一般用于短距离、单光端口设备，这些设备rf．的内部光反射水平较高。更大的反射范围结合较低的LED电力可防止浸透接收器循环产生的内部反射。
除需开启LED外，偏差校准模式与其他接近模式工作方式相同。这样，在无任何LED光被反射的情况下，即可精确测量环境及Si1120的内部偏差。偏差校准模式亦可修正因电力供应及温度改变造成的偏差。
4．环境光模式
4．环境光模式
接近偏移和增益会被高度的环境光影响几个百分比（如阳光或强烈的白炽灯照明）。当可以使用Cal模式确定大环境光或PRX400和PRX50模式下环境噪声水平偏移，环境水平的直接测量有助于确定在反射条件下的变化是否有效，或变化事实上是由于大环境光的改变。通常，这只是在高反射情况下的问题，例如没有良好的光隔离的单窗口操作，光线变化大将是一个问题。
Si1120含有两个光电二极管，其峰值的波长各不相同。VAMB模式所用可见光的光电二极管峰值约为530nm，而VIRH及VIRL模式所用的光电二极管峰值约为830nm。尽管可见光光电二极管峰值接近550nm（考虑到人类感知的峰值波长），Si1120的可见光电二极管也会延伸至红外光。同样，Si1120红外线光电-极管可探测红外光以及光谱中的部分可见光。Si1120将紫外光、可见光及红外光视作连续光谱。
可见光与红外线光电二极管的读数比可作为辨别光源类型的有力佐证。因为每种光源都包括红外光与可见光的混合特征。例如，白炽灯或卤素灯等黑体辐射在红外光谱中含有大量能量。另一方而，荧光灯在可见光光谱中含有较多能量。“颜色比率”一词将用来描述可见光光电二极管读数相对于红外光电二极管读数的相对强度。人类的色觉采用类似的原则。
VAMBNIRH或VAMBNIRL颜色比率是Si1120颜色感知的代表。在这两种颜色比率之间作出选择须依赖光线强度。通常应首选VAMBNIRL，因为VIRL的敏感度更高。如光线强度较高时，则应使用VAMBNIRH比率。
请注意，VAMB、VIRH及VIRL脉冲宽度在上述比率中作为被除数与除数，这表明脉冲宽度在用于颜色比率以前，需减去脉冲宽度偏移（在Olx时）。为达到最佳精确度，最好将VAMB、VIRH及VIRL归零再进行测量，并使用实际测量值。然而，实用的概测法是分别从VAMB、VIRH和VIRL中减去7.l1s、11.3Us和9.9Us（然后将OUS给予所得的负值）（见图2-274）。在精确度要求不高时可使用该概测法。除非另有说明，这里的图表及数字使用的是VAMB、VIRH及VIRL的偏移修正值。
一旦推导出颜色比率，即可确定光线类型及lx比率。lx比率指的是所需的lx值与VAMB、VIRL或VIRH之间的比率（视情况而定）。将适当的lx比率乘以可用的测量值即可得H{最终的lx计算值。在未经校准的情况下，所得值为lx比率绝对值的50%（或50lx）之内。有关性能曲线参见图2-275～图2-281。
5．LED和LED电流的选择
为获得最大探测距离，建议使用红外线LED。在适合使用可见闪光LED和允许较短探测范围的情况下，亦可使用红色（可见光）LED。红色LED不可使用红外滤光片，故易受环境光噪声影响，这会缩小探测范围。白色LED响应慢，跟Si1120的光谱响应不匹配，所以不推荐使用。 Si1120对强光和光学噪声环境如荧光灯等，具有很高的敏感度。在嘈杂环境中，最高敏感度可能成倍下降，最多可达100倍，致使接近范围缩小。随着敏感度减弱，光学环境噪声的影响也会减弱。因此，应该以最大的电流为LED供电，要选择有效率的LED。得益于完善的系统设计，负载循环相当低，呵令LED处理400mA的峰值电流，同时使LED的平均电流消耗保持在几微安的水平。总电流消耗量显著低于普通锂电池lOUA的自放电电流量，可令电池寿命达到十年。
选择LED时考虑的另一因素是LED的半角。窄半角的LED可用窄光束锁定红外光。当集中的红外光遇到物体时，反射光更亮。选用窄半角的LED，并把它跟外壳上的红外滤光片组装在一起，就可以在1m开外探测到跟人体差不多大小的物体。 6．电源
(1) VDD电源
Si1120对电源波动有良好的抵御性，电源波动50mV峰一峰值可发挥最佳性能。如果在LED点亮之前300lts内发生电源瞬变（在特定的波幅、频率和相位），将会导致探测失灵或者敏感度减弱。LED熄灭后发生的电源瞬变不会造成影响，因为接近状态已被锁定，直至下一个循环。Si1120本身可产生剧烈的电流瞬变，因此在其电源引脚处须装有大容量电容器。Si1120电源的电流瞬变最高可达20mA。
(2) LED电源
如果LED由电池或限流电源直接供电，则应添加一个电阻，跟LED的电源电容串联，使峰值负载电流降至最低。若使用调压电源，应将Si1120接入调压器的输出端，给LED接上小于6V的未调节电压。VDD与LED电源之间不需要电源时序控制。LED的峰值电流一般是400mA，可引发远高于50mV峰一峰值的电源瞬变。只需使用RC滤波器即可减弱瞬变，因为负载循环平均LED电流极低。
(3) LED电源（单端口设置）
使用单端口时，Si1120可探测小于百分之一接收信号的反射变化。要避免误测，须保持LED电流恒定，关键是防止TXO饱和。若单端口设置中允许TXO饱和，Si1120就会对LED的屯源波动甚至是STX输入的频率变化相当敏感。
应根据预期的TXO脉冲宽度选择存储电容器，根据STX负载循环选择串联电阻器。
(4) LED电源（双端口设置）
LED和Si1120使用单独的光学端口，目标的反射信号将比内部反射更大。这就不需要保持LED电流恒定，并且允许TXO输出饱和。另外，决定探测范围的时间因素只有LED点亮的前lOys。这可进一步减少给LED电源安装大容量存储电容器的需要，大多数应用中只需lOyF的电容器便足够。应串联一个lOOQ～lkQ的电阻器，以减少峰值负载电流。
7．实际考虑
LED与Si1120之间须有一道光障。需要探测的物体反射可能相当微弱，因为对于LED发射角之内的细小物体，反射信号的振幅会随距离的四次方衰减。接收器能探测到辐照度lyW/cm2的信号。节能LED的辐射强度一般为lOOmW/sr。假如LED光线直接耦合到接收器中，接收器将无法探测到.
1 prW/crri2的信号，因为泄漏量有lOOmW/cm2，已使接收器饱和。因此，为了侦测到l LrW/crri2的信号，必须把从LED到接收器的内部光学耦合（如内部反射）降低到与接收器探测的信号同样的数量级（即减少105）。由干某些LED的辐射强度可达400mW/sr，为稳妥起见，应通过光学手段把LED从信号源解耦达到106。为此，可采用图2-282所示的双端口光学窗。如果继续使用现有的外壳，但外壳上没有给LED和Si1120留出专门的开口，在此情况下，若要使接近探测器正常工作，则通过简易窗口（如附近的扩音器、风扇口）或半透明材料的光损耗系数，在每个方向都不能超过90%。另外还要通过周密的元件布局，减少来自密封装置的PMMA（丙烯酸玻璃）窗口（常见于移动电话、PDA等）的内部反射。为减少从LED到Si1120接收器的光耦合，要尽量扩大LED与Si1120的问距，尽量缩小两者（LED和Si1120）与PMMA窗口的间距。PRX50H型可用于图2-282所示的单端口光学窗。
另·个实际考虑足即使在一个给定的接近条件下，系统的光泄漏、覆盖厚度和透光率、LED效率变化、TXO卜沉驱动和光电二极管部件与部件的差异也都能共同导致反射率测量变化。对于要求PRX脉冲宽度横跨多个系统时一致的应用程序，推荐采用工厂校准。工厂校准涉及在系统生产测试期间以固定的距离拿参考测量与一致性和可重现的反射物体（如18%灰卡）比较。使该参考距离测量存储在非易失性RAM或闪存中，允许主机软件根据针对此参考接近测量传入的PRX脉冲宽度进行必要的调整。推荐低背景红外线环境。
为了获得最佳近距离范围的性能，系统光泄漏可在工厂校准期间规定其特点。要做到这一点，当知道在测量时无物体在系统附近时，需要制定一个参考接近测量。“noobject”参考测量允许主机软件建立系统光泄漏级别并根据该泄漏作出必要的修改。
用类似的方法，对于严重依赖ALS准确性的应用程序，在工厂校准期间使用参考光源的测量可以用来对VAMB、VIRL和VIRH测量作相应的调整
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