什么是动态范围

来源：罗姆半导体社区

动态范围的概念经常出现在工程讨论中。但是这个术语到底是什么意思呢?它是如何应用于电子电路和系统的呢?

在工程领域，我们更强调精确度和清晰度。讨论技术细节、数学关系和性能规范并不容易，我们可以通过仔细使用和彻底理解相关的术语，使任务更易于管理和生产。

电气工程师经常遇到的一个术语——“动态范围”。在你继续阅读之前，花一分钟试着给出一个精确而全面的定义。可能比较困难，希望以下文章能够帮助你理解这个定义。

静态和动态范围

据我所知，“静态范围”这个术语并不存在。但我们可以用它来澄清动态范围的本质。

“范围”是指两个极限之间的变化区域。“静态”来自一个与站立或静止有关的希腊动词，因此，静态范围表示一个可能变化的区域，在这个区域内，限制不受输入或输出现象在上限和下限之间主动和不可预测移动的需要的限制。

“动态”本质上是“静态”的反义词——描述的是不断移动和变化的事物。对于动态范围，我们仍然有上限和下限，但这些上限适用于受输入或输出现象的连续变化约束的系统，它们捕获了系统相对于反映相关信号动态性质的运行条件的能力。

考虑到上述信息，在电气工程领域，动态范围指定了一个动态信号在传递到给定系统或由给定系统产生时可以假定的可能值或可接受值的范围。

典型例子——人的视觉

人类视觉系统对输入量的变化具有显著的能力。我们可以看到月光下池塘上泛起的涟漪，以及在地中海眩目阳光下闪闪发光的白帆。人眼敏感的亮度范围跨度分为14个数量级:下限约为每平方米10-6个candelas (cd/m2)，上限约为108个cd/m2。

那这是否意味着人类视觉系统的动态范围是1014?非也，因为上面提到的亮度范围包括了锥细胞和杆状细胞的灵敏度，而且这两种生物光感受器不能同时工作(系统实际上需要相当长的时间从高亮度模式过渡到低亮度模式)。因此，这个范围不适用于在上限和下限之间动态变化的输入信号，从而将系统限制在一组特定的运行条件下。

为了确定人类光线探测的动态范围，我们需要评估我们在注视一个场景时感知亮度范围的能力。如果我们对动态范围采用更严格的解释，我们不允许改变瞳孔大小，因为这相当于通过增加或减少增益来改变上限或下限。

动态范围的计算和表达

动态范围实际上就是一个比值:最大信号级/最小信号级。

电气工程师倾向于用分贝来表示大比率(如运放的增益)，动态范围也不例外。例如，如果一个电压监测系统的动态范围为80db，则最大可检测输入电平要比最小可检测输入电平大10,000倍。

在光学系统中，动态范围通常用停止来表示。它指的是两个因素的增加或减少。如果数码相机动态范围为8个镜头，那么当最亮部分的亮度除以最暗部分的亮度小于等于256(=28)时，就可以很好地再现场景。

dB值四舍五入到小数点后一位，停止值四舍五入到最近的第三个停止点。

电子系统中的动态范围

以下提供了不同类型电路中动态范围的例子。

数模转换器

如果我们考虑输出，动态范围的ADC是由分辨率决定的。最小的非零输出值为1，最大的输出值为(2N-1)，其中N为生成的数字字的比特数。因此，14位ADC的动态输出范围为(214-1)=16383。这也可以表示为84.3 dB或14 stops。

输入信号的动态范围就不那么直接了，因为下限是由模拟波形中的噪声量决定的，而噪声会受到环境条件或ADC之前的可变增益放大器的增益设置的影响。当参考电压上限为2.5 V，噪声地板为1 mV时，动态范围为2.5/1×10-3≈68 dB。

一种称为无杂散动态范围(SFDR)的特殊类型的动态范围可以用来量化电路的线性度。

图像传感器

在CCD传感器中，光学检测的上限是一个像素中可以存储光产生的电子数，下限是与暗噪声和读噪声相关的电子数。假设一个像素可以容纳40000个电子。如果在一个给定的曝光时间暗噪声的像素生成5电子和接收一个额外的10个电子噪声在读出,动态范围就是40000 / (5 + 10)= 68.5 dB或大约11⅓停止。

混频器（RF Mixer）

混频器可以进行频率转换，因此在射频系统的设计中起着重要的作用。当混合器开始呈现不可接受的非线性时，输入功率级称为1db压缩点。这对应于用于计算动态范围的上限，而下限是混频器的噪声数字。

审核编辑黄宇