Opto Semiconductors
Empfängerbaustein für Infrarot (IR)-Fernsteuerungen
IR Remote Control Receiver
By Thomas Richter and Karl Leahy, June 1999
Bild 1 SFH 5110 / SFH 5111
Einleitung
Die IR-Receiver SFH 5110 und SFH 5111 sind
vollintegrierte Empfängerbausteine für IR-Fernbedienungen und Lichtschranken. Vollintegration bedeutet, daß Fotodiode und Auswerteschaltung auf einem IC (Integrated Circuit = Integrierter Schaltkreis) realisiert ist. Weitere externe
Komponenten sind nicht notwendig. Dieser IC
wird nun in einem Gehäuse angeboten, das
durch seine geringen Außenabmaße besticht.
Einsatzgebiete / Anwendungen
Fernbedienungen der Unterhaltungselektronik
Nahezu alle Geräte der Unterhaltungselektronik
besitzen eine IR-Fernbedienung, wodurch die
Funktionen von z.B. Fernsehgeräten, Set-Top
Boxen und CD-Spielern gesteuert werden. Ein
IR-Sender (Emissionswellenlänge
der Fernbedienung überträgt bei Tastendruck
als Lichtbursts codierte Informationen - das mit
(30, 33, 36, 38 oder
der Trägerfrequenz
f
o
λ = 950 nm)
Figure 1 SFH 5110 / SFH 5111
Introduction
The IR remote control receiver components
SFH 5110 and SFH 5111 are fully integrated
parts for IR remote controls as well as for long
distance interrupters. Fully integrated means:
photodiode and electronics are integrated into
one circuit. No external components are required. This integration leads to a miniaturized
molded package with high precision optics.
Applications
Consumer Electronic Remote Control Systems
Nearly all consumer electronic products (audio,
video or set top boxes) are using IR remote controls for controlling basic functions of the equipment like power on/off. An IR emitter (peak
wavelength
the control unit transmits a carrier based optical
burst signal (carrier frequency
or 40 kHz). Each data bit is modulated with the
λ = 950 nm) which is integrated in
30, 33, 36, 38
f
o
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40 kHz) modulierte Sendesignal. Modulation
bedeutet, daß jedes Datenbit eine Vielzahl von
T
Einzelpulsen der Periodendauer
=1/fo ent-
o
hält. Der IR-Empfänger detektiert und moduliert
dieses Signal und gibt die Informationen weiter.
T
= 1/
f
o
o
moduliertes Sendesignal
Datenwort bzw. Befehl
Modulated electrical signal
≅
data word resp. command
IR-Sender decodiertes
IR-emiter
carrier resulting in many single pulses per data
T
bit. The period of each pulse is
=1/fo. The re-
o
mote control receiver detects and decodes the
signal and gives the information to the electronics of the equipment.
Licht
Light
SFH 5110
SFH 5111
Empfangssignal≅
Decoded
electrical signal
Bild 2 Grundprinzip der Datenübertragung
Ein Datenwort bzw. Befehl (Burstpaket) setzt
sich aus Start-, Adress- und Datenbits zusammen. Mit dem Startbit regelt sich der IR-Empfänger selbständig auf eine optimale Verstärkung
zum Empfang bzw. zur Decodierung des Sendesignals ein. Der decodierte Befehl wird dem
Controller übergeben, der die weitere Steuerung übernimmt (z.B. Lautstärkeregelung).
Im Adressteil steckt eindeutig die Information
zum gewünschten Endgerät. Da jedes zu steuernde Gerät eine eigene Adresse besitzt, wird
vermieden, daß anstatt dem Fernseher der nebenstehende CD-Spieler eingeschaltet wird.
Der Datenteil enthält die Information des Tastendrucks (z.B. Programmwechsel, Lautstärke, ...).
OHF00811
Figure 2 Basic Concept of
Data Transmission
One data word resp. command (burst byte) contains start address and data bits. The optimum
gain of the opto IC will be set using the start bits.
The receiver is now ready to detect and decode
the address and data bits of the optically transmitted command. The SFH 511x then converts
this decoded optical signal to an electrical output. This electrical output goes to the microcontroller, which in turn executes the command
(e.g., turn up the volume on a TV).
The address byte contains information about the
equipment to be controlled. Example: A specific
address byte will make sure that a TV is turned
on and not the CD player which may be beside
it. The data bit contains information about the required command e.g. power on/off, volume and
channel select.
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Niederfrequente Freiraum-Datenübertragung
Neben der Steuerung von Consumer-Produkten
eignet sich der IR-Empfänger für die FreiraumDatenübertragung. Dabei kann eine Datenrate
von 4 kbit/s (10 Pulse a 25
µs/Puls = 250 µs) er-
reicht werden.
Darüberhinaus wird der SFH 511x als Empfän-
ger in Lichtvorhängen bzw. Lichtschranken mit
großer Reichweite eingesetzt. In dieser Anwendung wird die hohe Empfindlichkeit (hohe Reichweite) und die Unterdrückung des Tageslichteinflusses ausgenützt.
Baugruppen des IR-Empfängerbausteins
Der vollintegrierte Empfänger besteht aus folgenden Baugruppen:
Fotodiode mit Vorverstärker
●
Automatische Verstärkungsregelung AGC
●
(Automatic Gain Control)
● Bandpaßfilter
(Mittenfrequenz 30, 33, 36, 38, 40 kHz)
Demodulator
●
Ausgangsstufe
●
)
(interner pull-up Widerstand 23 k
Ω
Low Frequency Free Air Data Transmission
The SFH 511x product family is ideal for use in
low frequency long distance free air data transmission. Data rates of up to 4 kbit/s (10 pulses
with 25
µs/pulse = 250 µs) can be transmitted.
Additionally, you can use the SFH 511x product
family as a receiver in light curtains or long distance interrupters. For those applications you
need "high sensitivity" (long transmission distance) and enhanced immunity from ambient
light sources (e.g. natural sunlight and fluorescent lamps).
Description of the SFH 511x Product Family
● Photodiode with preamplifier
Automatic gain control (AGC)
●
● Band-pass filter
(center frequency 30, 33, 36, 38, 40 kHz)
● Demodulator
Output driver
●
)
(internal pull-up resistor 23 k
Ω
Vorverstärker
Preamplifier
AGC
Bild 3 Blockschaltbild SFH 511x
Kontrollschaltung
Control Circuit
Bandpassfilter
Band-pass Filter
Figure 3 Block diagram of SFH 511x
Demodulator
V
CC
R
=
23 k
Ω
OUT
GND
OHF00404
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Fotodiode mit Vorverstärker
Die Fotodiode wandelt die infrarote Strahlung in
einen Fotostrom um. Dieser Strom wird im Vorverstärker, der Gleichsignale unterdrückt, verstärkt. Um den Einfluß von elektromagnetischen
Feldern (z. B. im Fernseher) zu minimieren,
wurden sowohl die Fotodiode als auch der IC
elektrisch geschirmt.
Automatische Verstärkungsregelung AGC
(Automatic Gain Control)
Die AGC regelt die Verstärkung in Abhängigkeit
vom Umgebungslicht, wobei bei Dunkelheit die
höchste Verstärkung, d.h. größte Reichweite erreicht wird. Lichtquellen wie Sonnenlicht, Glühlampen oder Sparlampen reduzieren die Verstärkung und somit die Reichweite. Die Verstärkungsregelung ist notwendig, um eine Sättigung
durch das Umgebungslicht zu vermeiden, bzw.
den Einfluß des Fremdlichtes zu minimieren.
Bandpassfilter
(Mittenfrequenz 30, 33, 36, 38, 40 kHz)
Das Bandpassfilter erhöht den SNR (SignalRauschabstand) des Empfängers durch Dämpfung von Frequenzen außerhalb des spezifizierten Bereiches. Für den SFH 511x werden 5 Mittenfrequenzen (30, 33, 36, 38, 40 kHz) angeboten. Um die Genauigkeit dieses Filters zu erhöhen, wird diese Mittenfrequenz für jeden einzelnen Chip während des Fertigungsprozesses
eingestellt. Die Filterbandbreite (50%-Empfindlichkeit) beträgt 4 kHz. Das Zeitverhalten des
Filters erhöht den Signal-Rauschabstand weiter, da kurze Störungen (<4 Pulse/bit) unterdrückt werden.
Demodulator
Der Demodulator besteht aus einem Integrator
und einem Schmitt Trigger. Für das Ansprechen
des Schmitt Triggers wird eine minimale Pulsanzahl von 4 Pulsen/bit benötigt. Das Design wurde so gewählt, daß keine Pulsverzerrung auftritt, d.h. die Eingangspulsbreite entspricht der
Ausgangspulsbreite.
Photodiode with Preamplifier
The infrared light detected by the photodiode is
converted into an electrical current which is amplified by the preamplifier. To minimize the influence of electromagnetic fields which are common e.g. inside TV sets the photodiode and also
the integrated circuit are electrically shielded.
Automatic Gain Control (AGC)
The AGC adapts the gain of the amplifier. The
highest gain resp. the longest transmission distance will be achieved in the dark. Light sources
like incandescent or fluorescent lamps or like
the sun will reduce the gain and thus the sensitivity of the device. This gain control is necessary to avoid saturation of the circuit with increasing ambient light level resp. to minimize
the effects of light interference (noise).
Band-Pass Filter
(center frequency 30, 33, 36, 38, 40 kHz)
The band-pass filter improves the SNR (signal to
noise ratio) of the part by rejecting frequencies
that are not within its pre-defined range. This
range can be selected by the customer specifying a center frequency range (e.g. 30, 33, 36, 38,
40 kHz). The center frequency of the band-pass
filter will be trimmed for each chip during the production process to guarantee the accuracy of
the filter. A filter bandwidth (50% sensitivity) of
4 kHz is designed for the SFH 511x series. To
improve the SNR further the filter has a certain
time constant. This will make sure, that only light
bursts with more than 4 pulses/bit are being detected.
Demodulator
The demodulator decodes the data signal from
the received signal using an integrator and a
Schmitt Trigger. Pulse distortion between input
and output signal is kept to a minimum by the
proper design of the IC. The necessary time to
change the output of the Schmitt Trigger is at
least 4 cycles of the carrier frequency.
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