什么是動(dòng)態(tài)范圍

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

動(dòng)態(tài)范圍的概念經(jīng)常出現(xiàn)在工程討論中。但是這個(gè)術(shù)語到底是什么意思呢?它是如何應(yīng)用于電子電路和系統(tǒng)的呢?

在工程領(lǐng)域，我們更強(qiáng)調(diào)精確度和清晰度。討論技術(shù)細(xì)節(jié)、數(shù)學(xué)關(guān)系和性能規(guī)范并不容易，我們可以通過仔細(xì)使用和徹底理解相關(guān)的術(shù)語，使任務(wù)更易于管理和生產(chǎn)。

電氣工程師經(jīng)常遇到的一個(gè)術(shù)語——“動(dòng)態(tài)范圍”。在你繼續(xù)閱讀之前，花一分鐘試著給出一個(gè)精確而全面的定義?？赡鼙容^困難，希望以下文章能夠幫助你理解這個(gè)定義。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)范圍

據(jù)我所知，“靜態(tài)范圍”這個(gè)術(shù)語并不存在。但我們可以用它來澄清動(dòng)態(tài)范圍的本質(zhì)。

“范圍”是指兩個(gè)極限之間的變化區(qū)域?！办o態(tài)”來自一個(gè)與站立或靜止有關(guān)的希臘動(dòng)詞，因此，靜態(tài)范圍表示一個(gè)可能變化的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，限制不受輸入或輸出現(xiàn)象在上限和下限之間主動(dòng)和不可預(yù)測移動(dòng)的需要的限制。

“動(dòng)態(tài)”本質(zhì)上是“靜態(tài)”的反義詞——描述的是不斷移動(dòng)和變化的事物。對于動(dòng)態(tài)范圍，我們?nèi)匀挥猩舷藓拖孪?，但這些上限適用于受輸入或輸出現(xiàn)象的連續(xù)變化約束的系統(tǒng)，它們捕獲了系統(tǒng)相對于反映相關(guān)信號動(dòng)態(tài)性質(zhì)的運(yùn)行條件的能力。

考慮到上述信息，在電氣工程領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)范圍指定了一個(gè)動(dòng)態(tài)信號在傳遞到給定系統(tǒng)或由給定系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)可以假定的可能值或可接受值的范圍。

典型例子——人的視覺

人類視覺系統(tǒng)對輸入量的變化具有顯著的能力。我們可以看到月光下池塘上泛起的漣漪，以及在地中海眩目陽光下閃閃發(fā)光的白帆。人眼敏感的亮度范圍跨度分為14個(gè)數(shù)量級:下限約為每平方米10-6個(gè)candelas (cd/m2)，上限約為108個(gè)cd/m2。

那這是否意味著人類視覺系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍是1014?非也，因?yàn)樯厦嫣岬降牧炼确秶隋F細(xì)胞和桿狀細(xì)胞的靈敏度，而且這兩種生物光感受器不能同時(shí)工作(系統(tǒng)實(shí)際上需要相當(dāng)長的時(shí)間從高亮度模式過渡到低亮度模式)。因此，這個(gè)范圍不適用于在上限和下限之間動(dòng)態(tài)變化的輸入信號，從而將系統(tǒng)限制在一組特定的運(yùn)行條件下。

為了確定人類光線探測的動(dòng)態(tài)范圍，我們需要評估我們在注視一個(gè)場景時(shí)感知亮度范圍的能力。如果我們對動(dòng)態(tài)范圍采用更嚴(yán)格的解釋，我們不允許改變瞳孔大小，因?yàn)檫@相當(dāng)于通過增加或減少增益來改變上限或下限。

動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算和表達(dá)

動(dòng)態(tài)范圍實(shí)際上就是一個(gè)比值:最大信號級/最小信號級。

電氣工程師傾向于用分貝來表示大比率(如運(yùn)放的增益)，動(dòng)態(tài)范圍也不例外。例如，如果一個(gè)電壓監(jiān)測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍為80db，則最大可檢測輸入電平要比最小可檢測輸入電平大10,000倍。

在光學(xué)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)范圍通常用停止來表示。它指的是兩個(gè)因素的增加或減少。如果數(shù)碼相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍為8個(gè)鏡頭，那么當(dāng)最亮部分的亮度除以最暗部分的亮度小于等于256(=28)時(shí)，就可以很好地再現(xiàn)場景。

dB值四舍五入到小數(shù)點(diǎn)后一位，停止值四舍五入到最近的第三個(gè)停止點(diǎn)。

電子系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)范圍

以下提供了不同類型電路中動(dòng)態(tài)范圍的例子。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器

如果我們考慮輸出，動(dòng)態(tài)范圍的ADC是由分辨率決定的。最小的非零輸出值為1，最大的輸出值為(2N-1)，其中N為生成的數(shù)字字的比特?cái)?shù)。因此，14位ADC的動(dòng)態(tài)輸出范圍為(214-1)=16383。這也可以表示為84.3 dB或14 stops。

輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍就不那么直接了，因?yàn)橄孪奘怯?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬波形中的噪聲量決定的，而噪聲會(huì)受到環(huán)境條件或ADC之前的可變增益放大器的增益設(shè)置的影響。當(dāng)參考電壓上限為2.5 V，噪聲地板為1 mV時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍為2.5/1×10-3≈68 dB。

一種稱為無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)的特殊類型的動(dòng)態(tài)范圍可以用來量化電路的線性度。

圖像傳感器

在CCD傳感器中，光學(xué)檢測的上限是一個(gè)像素中可以存儲(chǔ)光產(chǎn)生的電子數(shù)，下限是與暗噪聲和讀噪聲相關(guān)的電子數(shù)。假設(shè)一個(gè)像素可以容納40000個(gè)電子。如果在一個(gè)給定的曝光時(shí)間暗噪聲的像素生成5電子和接收一個(gè)額外的10個(gè)電子噪聲在讀出,動(dòng)態(tài)范圍就是40000 / (5 + 10)= 68.5 dB或大約11?停止。

混頻器（RF Mixer）

混頻器可以進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，因此在射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起著重要的作用。當(dāng)混合器開始呈現(xiàn)不可接受的非線性時(shí)，輸入功率級稱為1db壓縮點(diǎn)。這對應(yīng)于用于計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍的上限，而下限是混頻器的噪聲數(shù)字。

審核編輯黃宇