Tecnología Electrónica

Decibelios (dB) en Amplificadores de Señal: Ganancia, Niveles y Figura de Ruido

¿Qué Es un Decibelio?

El decibelio (dB) es un ratio logarítmico que expresa la relación entre dos cantidades de potencia o amplitud. Es adimensional—siempre relativo a una referencia.

Fórmulas Principales

  • Ratio de potencia: dB = 10 log₁₀(P₁/P₀)
  • Ratio de voltaje/corriente: dB = 20 log₁₀(V₁/V₀) = 20 log₁₀(I₁/I₀)
  • Factor de 10 en potencia = 10 dB
  • Factor de 2 en potencia ≈ 3 dB
  • Factor de 10 en voltaje = 20 dB
  • Factor de 2 en voltaje ≈ 6 dB

Tres Métricas Clave en dB de Amplificadores

1. Ganancia (dB)

Factor de amplificación expresado logarítmicamente:

  • Ganancia de potencia: Gp(dB) = 10 log₁₀(Pout/Pin)
  • Ganancia de voltaje: Gv(dB) = 20 log₁₀(Vout/Vin)
  • Ejemplo: 20 dB de ganancia de voltaje = 10× voltaje = 100× potencia
  • dB negativo = atenuación (pérdida)

2. Niveles Absolutos de Potencia: dBm, dBW, dBV

UnidadReferenciaEjemplos de Conversión
dBm1 mW en 50 Ω0 dBm = 1 mW = 0,224 VRMS; 30 dBm = 1 W
dBW1 W0 dBW = 1 W = 30 dBm
dBV1 VRMS0 dBV = 1 V; -6 dBV = 0,5 V
dBu0,775 VRMS (1 mW/600Ω)Referencia de audio profesional

3. Figura de Ruido (NF) en dB

Degradación de la relación señal-ruido (SNR) por el amplificador:

  • NF(dB) = 10 log₁₀(F) donde F = factor de ruido (lineal)
  • Amplificador ideal sin ruido: F = 1 → NF = 0 dB
  • LNA típico: 0,5-2 dB; Op-amp de propósito general: 3-10 dB
  • NF más baja = mejor rendimiento en señales débiles
  • Fórmula de Friis: La NF del sistema está dominada por la primera etapa (si la ganancia > 10-15 dB)

¿Por Qué Escala Logarítmica?

  • Percepción humana (oído, visión) es logarítmica
    • Ganancias en cascada se suman en dB: Gtotal = G₁ + G₂ + G₃ (vs. multiplicación lineal)
  • Compresión de rango dinámico: rango de 120 dB SPL → números manejables
  • Efectos multiplicativos (atenuación de filtro, pérdida de cable) se vuelven aditivos

Ejemplos Prácticos de Amplificadores

  • Preamplificador: 40 dB de ganancia de voltaje (100×), ruido de entrada 1 nV/√Hz → NF ~3 dB
  • Amplificador de potencia: 26 dB de ganancia de voltaje (20×), 100 W en 8Ω = 28,4 VRMS = 49 dBm
  • LNA de RF: 20 dB de ganancia, 0,8 dB NF, 15 mA de corriente
  • Amplificador distribuido: 15 dB de ganancia hasta 40 GHz, 5 dB NF

Recordatorios Críticos

  • dB es siempre un ratio — nunca un valor absoluto sin sufijo de referencia (m, W, V, u)
  • La dB de potencia y voltaje difieren por un factor de 2 — sepa cuál está usando
  • Aritmética en dB: sumar para cascada, restar para pérdida, dividir por 2 para voltaje→potencia
  • 3 dB = mitad de potencia = 1/√2 voltaje = -3 dB potencia = -6 dB voltaje

Dominar el pensamiento en dB es esencial para la ingeniería de RF, audio, instrumentación y comunicaciones—convierte la multiplicación en adición y abarca más de 150 dB de rango dinámico en una sola escala.

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