翻譯自——allaboutcircuits，Robert Keim

動态範圍的概念經常出現在工程讨論中。但是這個術語到底是什麼意思呢?它是如何應用于電子電路和系統的呢?

在工程領域，我們更強調精确度和清晰度。讨論技術細節、數學關系和性能規範并不容易，我們可以通過仔細使用和徹底理解相關的術語，使任務更易于管理和生産。

電氣工程師經常遇到的一個術語——“動态範圍”。在你繼續閱讀之前，花一分鐘試着給出一個精确而全面的定義。可能比較困難，希望以下文章能夠幫助你理解這個定義。

靜态和動态範圍

據我所知，“靜态範圍”這個術語并不存在。但我們可以用它來澄清動态範圍的本質。

“範圍”是指兩個極限之間的變化區域。“靜态”來自一個與站立或靜止有關的希臘動詞，因此，靜态範圍表示一個可能變化的區域，在這個區域内，限制不受輸入或輸出現象在上限和下限之間主動和不可預測移動的需要的限制。

“動态”本質上是“靜态”的反義詞——描述的是不斷移動和變化的事物。對于動态範圍，我們仍然有上限和下限，但這些上限适用于受輸入或輸出現象的連續變化約束的系統，它們捕獲了系統相對于反映相關信号動态性質的運行條件的能力。

考慮到上述信息，在電氣工程領域，動态範圍指定了一個動态信号在傳遞到給定系統或由給定系統産生時可以假定的可能值或可接受值的範圍。

典型例子——人的視覺

人類視覺系統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光的白帆。人眼敏感的亮度範圍跨度分為14個數量級:下限約為每平方米10-6個candelas (cd/m2)，上限約為108個cd/m2。

那這是否意味着人類視覺系統的動态範圍是1014?非也，因為上面提到的亮度範圍包括了錐細胞和杆狀細胞的靈敏度，而且這兩種生物光感受器不能同時工作(系統實際上需要相當長的時間從高亮度模式過渡到低亮度模式)。因此，這個範圍不适用于在上限和下限之間動态變化的輸入信号，從而将系統限制在一組特定的運行條件下。

為了确定人類光線探測的動态範圍，我們需要評估我們在注視一個場景時感知亮度範圍的能力。如果我們對動态範圍采用更嚴格的解釋，我們不允許改變瞳孔大小，因為這相當于通過增加或減少增益來改變上限或下限。

動态範圍的計算和表達

動态範圍實際上就是一個比值:最大信号級/最小信号級。

電氣工程師傾向于用分貝來表示大比率(如運放的增益)，動态範圍也不例外。例如，如果一個電壓監測系統的動态範圍為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。

在光學系統中，動态範圍通常用停止來表示。它指的是兩個因素的增加或減少。如果數碼相機動态範圍為8個鏡頭，那麼當最亮部分的亮度除以最暗部分的亮度小于等于256(=28)時，就可以很好地再現場景。

dB值四舍五入到小數點後一位，停止值四舍五入到最近的第三個停止點。

電子系統中的動态範圍

以下提供了不同類型電路中動态範圍的例子。

數模轉換器

如果我們考慮輸出，動态範圍的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為生成的數字字的比特數。因此，14位ADC的動态輸出範圍為(214-1)=16383。這也可以表示為84.3 dB或14 stops。

輸入信号的動态範圍就不那麼直接了，因為下限是由模拟波形中的噪聲量決定的，而噪聲會受到環境條件或ADC之前的可變增益放大器的增益設置的影響。當參考電壓上限為2.5 V，噪聲地闆為1 mV時，動态範圍為2.5/1×10-3≈68 dB。

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

圖像傳感器

在CCD傳感器中，光學檢測的上限是一個像素中可以存儲光産生的電子數，下限是與暗噪聲和讀噪聲相關的電子數。假設一個像素可以容納40000個電子。如果在一個給定的曝光時間暗噪聲的像素生成5電子和接收一個額外的10個電子噪聲在讀出,動态範圍就是40000 / (5 10)= 68.5 dB或大約11⅓停止。

混頻器（RF Mixer）

混頻器可以進行頻率轉換，因此在射頻系統的設計中起着重要的作用。當混合器開始呈現不可接受的非線性時，輸入功率級稱為1db壓縮點。這對應于用于計算動态範圍的上限，而下限是混頻器的噪聲數字。

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