¿Qué es el rango dinámico?

Un fenómeno interesante del lenguaje es que a menudo entendemos palabras que no podemos definir. Esto es parte de nuestra facultad lingüística natural y generalmente no causa ningún problema, especialmente en una conversación ordinaria.
Sin embargo, en el mundo de la ingeniería, ponemos mayor énfasis en la precisión y la claridad. Discutir los detalles técnicos, las relaciones matemáticas y las especificaciones de rendimiento no siempre es fácil, y podemos hacer que la tarea sea más manejable y productiva al esforzarnos por emplear cuidadosamente y comprender a fondo la terminología relevante.
Un término que los ingenieros eléctricos enfrentan regularmente, y en una variedad de contextos, es "rango dinámico". Antes de continuar leyendo, tómese un minuto e intente formular una definición precisa y completa. En mi opinión, ¡es sorprendentemente difícil! En cualquier caso, espero que al final de este artículo todos estemos listos con una explicación sólida cuando alguien nos detenga en la calle y pregunte: "Oye, ¿podrías decirme qué es el rango dinámico?"

Estático vs Rango Dinámico

Hasta donde yo sé, el término "rango estático" no existe. Pero supongamos que lo hace y usémoslo para aclarar la naturaleza del rango dinámico.
"Rango" se define como la región de variación entre dos límites. "Estático", de un verbo griego relacionado con estar de pie o inmóvil, denota una falta de movimiento, acción o cambio. Por lo tanto, el rango estático sugiere una región de posible variación en la que los límites no están limitados por la necesidad de que los fenómenos de entrada o salida se muevan de forma activa e impredecible entre los límites superior e inferior.
"Dinámico", esencialmente lo opuesto a "estático", describe lo que se mueve y cambia continuamente. Con el rango dinámico, todavía tenemos límites superior e inferior, pero estos límites se aplican a los sistemas que están limitados por la variación continua de los fenómenos de entrada o salida, y capturan las capacidades del sistema con respecto a las condiciones de operación que reflejan la naturaleza dinámica de Las señales relevantes.
Con la información anterior en mente, podemos decir que El rango dinámico, en el contexto de la ingeniería eléctrica, especifica el rango de valores posibles o aceptables que una señal dinámica puede asumir cuando se entrega o produce un sistema determinado.

Caso en cuestión: visión humana

Consideremos un ejemplo. El sistema visual humano tiene una notable capacidad de variaciones en la magnitud de entrada. Podemos ver ondas en un estanque iluminado por la luna y una vela blanca que brilla bajo un sol cegador del Mediterráneo. El rango de luminancia al que el ojo humano es sensible abarca catorce órdenes de magnitud: el límite inferior es de aproximadamente 10–6 candelas por metro cuadrado (cd / m2), y el límite superior es de aproximadamente 108 cd / m2.
¿Significa esto que el sistema visual humano tiene un rango dinámico de 1014? No, debido a que el rango de luminancia mencionado anteriormente incluye la sensibilidad de las células de cono y varilla, y estos dos fotorreceptores biológicos no proporcionan una operación simultánea (el sistema realmente necesita una cantidad significativa de tiempo para pasar de su modo de alta luminancia a su nivel bajo -modo de luminancia). Por lo tanto, el rango no se aplica a las señales de entrada que varían dinámicamente entre el límite superior y el límite inferior y, por lo tanto, restringen el sistema a un determinado conjunto de condiciones de funcionamiento.
Para determinar el rango dinámico de la detección de luz humana, necesitamos evaluar nuestra capacidad de percibir un rango de luminancia mientras observamos constantemente una escena. Si aplicamos una interpretación más estricta del rango dinámico, no permitiríamos cambios en el tamaño de la pupila, ya que esto es análogo a mover el límite superior o inferior al aumentar o disminuir la ganancia.

Cálculo y expresión de rango dinámico

Un rango dinámico es realmente solo una relación: toma el nivel de señal máximo y lo divide por el nivel de señal mínimo.
Los ingenieros eléctricos tienden a usar decibelios para expresar grandes proporciones (como la ganancia de un amplificador operacional), y el rango dinámico no es una excepción. Si un sistema de monitoreo de voltaje, por ejemplo, tiene un rango dinámico de 80 dB, el nivel máximo de entrada detectable es mayor que el nivel mínimo de entrada detectable en un factor de 10,000.
En sistemas ópticos, el rango dinámico a menudo se expresa en paradas. Una parada es un aumento o disminución de un factor de dos. Si decimos que una cámara digital tiene un rango dinámico de 8 paradas, puede reproducir fielmente una escena si la luminancia de la parte más brillante dividida por la luminancia de la parte más oscura es menor o igual a 256 (= 28).

Los valores de dB se redondean a un decimal, y los valores de parada se redondean a la tercera parada más cercana.

Rango Dinámico en Sistemas Electrónicos

Las siguientes subsecciones proporcionan ejemplos de rango dinámico en diferentes tipos de circuitos.
Convertidores de analógico a digital
Si estamos pensando en términos de salida, el rango dinámico de un ADC está determinado por la resolución. El valor de salida más bajo que no es cero es 1, y el valor de salida más alto es (2N – 1), donde N es el número de bits en la palabra digital generada. Por lo tanto, un ADC de 14 bits tiene un rango de salida dinámica de (214–1) = 16383. Esto también podría expresarse como 84.3 dB o 14 paradas.
El rango dinámico de la señal de entrada es menos directo, porque el límite inferior está determinado por la cantidad de ruido en la forma de onda analógica, que podría verse influenciada por las condiciones ambientales o la configuración de ganancia de un amplificador de ganancia variable que precede al ADC. Si el voltaje de referencia impone un límite superior de 2.5 V y el ruido de fondo es de 1 mV, el rango dinámico es 2.5 / 1 × 10–3 ≈ 68 dB.
Puede leer mucho más sobre el rango dinámico de ADC en los siguientes artículos:

Se puede usar un tipo especializado de rango dinámico llamado rango dinámico libre de espurios (SFDR) para cuantificar la linealidad de un circuito.

Sensores de imagen
En un sensor CCD, el límite superior de detección óptica es la cantidad de electrones generados por la luz que se pueden almacenar en un píxel, y el límite inferior es la cantidad de electrones asociados con el ruido oscuro y el ruido de lectura. Digamos que un píxel puede contener 40,000 electrones. Si en un período de exposición dado el píxel genera 5 electrones de ruido oscuro y recibe 10 electrones adicionales de ruido durante la lectura, el rango dinámico es 40,000 / (5 + 10) = 68.5 dB o aproximadamente 11⅓ paradas.

Mezcladores RF
Los mezcladores realizan la traducción de frecuencia y, por lo tanto, juegan un papel fundamental en el diseño de sistemas de radiofrecuencia. El nivel de potencia de entrada en el que el mezclador comienza a exhibir una no linealidad inaceptable se denomina punto de compresión de 1 dB. Esto corresponde al límite superior utilizado en el cálculo del rango dinámico, y el límite inferior es la cifra de ruido del mezclador.

Conclusión

Este artículo fue más difícil de escribir de lo que esperaba. Espero haber hecho lo suficiente para capturar realmente la esencia y las sutilezas del rango dinámico en lo que respecta a la ingeniería eléctrica, y si tiene alguna idea para agregar, no dude en compartirlas en la sección de comentarios.