Децибелы в электронике

Что такое децибелы, для чего они необходимы и на что указывают эти загадочные цифры? В данной статье постараемся кратко осветить эти вопросы. Итак, давайте начнем…

Децибелы можно сравнить с процентами. Часто говорят, что что-то на 50% больше, чем что-то еще, или, что цены выросли в 2 раза. Аналогично обстоят дела и с децибелами - это число говорит о взаимном отношении между двумя значениями. Почему же тогда нам не достаточно использовать «проценты» или «разы»?

Дело в том, что в электронике мы часто имеем дело с очень большой динамикой изменений. Может быть так, что фильтр ослабляет сигнал в 10 раз, но вполне возможно, что он способен ослабить его и в 1000000 раз.

Подсчет нулей становится сложным при больших числах, в частности, когда мы имеем дело с отношениями порядка сотни миллионов. В такой ситуации использование децибел становиться более удобным и значительно упрощает расчеты.

Децибелы для начинающих

В электронике мы сравниваем напряжение, ток и мощность. При процессе преобразования линейной шкалы (столько-то раз) в шкалу децибел, мы должны помнить, что есть два разных шаблона!

decibely-v-elektronike-1

Пример преобразования: допустим, что амплитуда сигнала до усиления 0,5В и это наше опорное напряжение Uref. Что касается него, то мы сравниваем с ним напряжение на выходе усилителя (U), например, 2В. Итак, мы делим 2В на 0,5В и получаем 4.

Затем мы вычисляем десятичный логарифм из 4 (на калькуляторе) и результат умножаем на 20. В результате получаем 12 дБ. Теперь мы можем сказать, что усилитель имеет коэффициент усиления 12 дБ.

decibely-v-elektronike-2

Чтобы преобразовать обратно децибелы в линейную величину, мы так-же используем два шаблона, которые можно вывести из двух вышеприведенных. Ниже приводим сразу готовые формулы без выводов.

decibely-v-elektronike-3

Пример обратного преобразования. Параметр CMRR (коэффициент ослабления синфазного сигнала) усилителя LM358 составляет 85 дБ. После простых вычислений можно сказать, что LM358 будет усиливать разностные сигналы в 17783 раза лучше, чем обычные сигналы.

decibely-v-elektronike-4

Усилитель OPA343 имеет CMRR равный 92 дБ, что в линейном выражении составляет 39811 раз. Этот пример показывает, что небольшое изменение величины децибел может означать очень большое изменение линейной шкалы.

Получается нужно всегда иметь с собой калькулятор для преобразования этих децибел? Конечно же, нет! Достаточно запомнить лишь несколько общих значений, чтобы оценить усиление/затухание с достаточной точностью. Посмотрите на таблицу:

decibely-v-elektronike-tab

Обратите внимание на значения 20 дБ, 40 дБ, 60 дБ для тока и напряжения. Увеличение децибел каждые 20 дБ вызывает 10-кратное увеличение отношения исследуемых величин.

Важным числом является 3dB - оно появляется очень часто при проектировании фильтров. Например, в определении частоты среза - частота, при которой затухание фильтра составляет 3 дб, то есть он уменьшает амплитуду сигнала в 1,41 раза (квадратный корень из 2).

Применение децибел

Один из примеров - последовательное соединение операционных усилителей, каждый из которых усиливает или ослабляет сигнал. Зеленым цветом указаны их коэффициенты усиления в линейном масштабе, красным – в децибелах. Желая определить результирующее усиление всей системы, необходимо перемножить коэффициенты усиления всех элементов. Без калькулятора это достаточно сложно для простого человека :).

Другое дело, когда мы оперируем в децибелах. Здесь нам достаточно сложить отдельные значения и у нас уже есть готовый результат! Может быть, в эпоху калькуляторов и компьютеров, этот пример не такой убедительной, как раньше, но, несмотря на это, все же намного легче складывать, чем умножать.

decibely-v-elektronike-5

Зачастую децибелы используются при построении графиков. Это относится, в частности, когда характеристики меняются в очень широком диапазоне. Лучше всего это понять, изучив следующие два графика.

На первом из них приведена характеристика полосового фильтра в линейном масштабе. На горизонтальной оси отмечена частота фильтра в диапазоне от 0 до 10000 Гц, а на вертикальной оси - затухание. Из этого графика мало что видно!

Первый уклон настолько крутой, что он почти вертикальный. Также трудно определить центральную частоту (пик). Точно так же трудно сказать о втором уклоне. Он настолько растянут, что большая часть графика представляет собой горизонтальную линию, которая ни о чем нам не говорит!

decibely-v-elektronike-8

А так выглядит та же характеристика, но по шкале децибел:

decibely-v-elektronike-7

Первоначально график может напугать своей странной сеткой. Посмотрим на левую часть горизонтальной оси, а точнее на отрезок от 1 до 10. Вспомогательные линии сетки обозначают следующие значения: 2, 3, 4 и т. д. В диапазоне от 10 до 100 вспомогательные линии сетки обозначают значения 20, 30, 40 и т. д. Такая же ситуация наблюдается и по вертикальной оси.

Вернемся к характеристикам. На этот раз все пространство графика заполнено равномерно. Уклоны кажутся прямыми, и нет проблем с определением центральной частоты. Также легко определить характерные точки и крутизну уклонов.

dBm, dBW, dBuV - что это?

Иногда мы можем встретить такие единицы, как dBm, dBuV и аналогичные им размерности децибела. Эти логарифмические единицы определяют входное (опорное) значение. В случае dBW - то это значение равное 1Вт; для dBuV - 1мкВ (микровольт); для dBmW - 1мВт (милливатт). Способ обозначения мощности в dBmW довольно распространен в радиотехнике.

Пример. Модуль Bluetooth BTM112 имеет чувствительность приемника -83 dBm. Сколько это будет в ваттах? Для определения мы должны использовать уравнение мощности в децибелах, данное в начале этой статьи.

Внимание! Мы рассчитываем мощность, поэтому мы используем шаблон с коэффициентом 10, а не 20, который предназначен для тока и напряжения.

Мы уравниваем его с величиной мощности приемника -83 дБ. Далее делим все на 10. Затем мы должны вычислить десятичный логарифм, поэтому мы возводим 10 в степень -8,3. После этого умножаем левую сторону на знаменатель 0,001. И в конце берем в руки калькулятор и получаем конечный результат. Приемник BTM112 имеет чувствительность 5пВт.

decibely-v-elektronike-6По аналогии мы можем рассчитать чувствительность приемника BTM222. После преобразования -88dBm мы получим 1,6пВт.

Если кто-то хочет попрактиковаться в расчетах, то он может сравнить мощность передатчиков этих модулей. BTM112 имеет 4 дБм (2,5 мВт), а BTM222 имеет 18 дБм (63 мВт).

редактор

Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.

*