Sensibilidad (electrónica)

Magnitud mínima de la señal de entrada para producir una salida específica mediante un dispositivo electrónico

La sensibilidad de un dispositivo electrónico , como un receptor de un sistema de comunicaciones o un dispositivo de detección, como un diodo PIN , es la magnitud mínima de la señal de entrada necesaria para producir una señal de salida específica que tenga una relación señal-ruido específica u otros criterios específicos. En general, es el nivel de señal necesario para una calidad particular de información recibida. ^[1]

En el procesamiento de señales , la sensibilidad también se relaciona con el ancho de banda y el nivel de ruido , como se explica con más detalle a continuación.

En el campo de la electrónica se utilizan diferentes definiciones de sensibilidad. El diccionario IEEE ^{[2] [3]} afirma: "Las definiciones de sensibilidad se dividen en dos categorías contrastantes". También proporciona múltiples definiciones relevantes para los sensores entre las que se encuentran 1: "(dispositivos de medición) La relación entre la magnitud de su respuesta y la magnitud de la cantidad medida". y 2: "(receptor de radio o dispositivo similar) Tomada como la señal de entrada mínima requerida para producir una señal de salida especificada que tenga una relación señal-ruido especificada". La primera de estas definiciones es similar a la definición de capacidad de respuesta y, como consecuencia, a veces se considera que la sensibilidad se utiliza incorrectamente como sinónimo de capacidad de respuesta , ^{[4] [5]} y se argumenta que la segunda definición, que está estrechamente relacionada con el límite de detección , es un mejor indicador del rendimiento de un sistema de medición. ^[6]

En resumen, en el campo de la electrónica se utilizan dos definiciones contrastantes de sensibilidad.

• Definición de sensibilidad: relación entre la señal de entrada y la de salida, o pendiente de la curva de respuesta de salida frente a la de entrada de un transductor , micrófono o sensor . En la sección sobre electroacústica que aparece a continuación se ofrece un ejemplo.
• Sensibilidad (segunda definición): magnitud mínima de la señal de entrada necesaria para producir una señal de salida con una relación señal-ruido especificada de un instrumento o sensor . En las secciones siguientes sobre receptores y sensores electrónicos se ofrecen ejemplos del uso de esta definición.

Electroacústica

La sensibilidad de un micrófono se expresa generalmente como la intensidad del campo sonoro en decibelios (dB) en relación con 1 V / Pa (Pa = N / m2 ) o como el factor de transferencia en milivoltios por pascal (mV/Pa) en un circuito abierto o en una carga de ¹ kiloohmio . ^{[ cita requerida ]}

La sensibilidad de un altavoz se expresa normalmente en dB/2,83 V _RMS a 1 metro. ^{[ cita requerida ]} Esto no es lo mismo que la eficiencia eléctrica ; consulte Eficiencia vs. sensibilidad . La sensibilidad de un hidrófono se expresa normalmente en dB relativos a 1 V/μPa. ^[7]

Este es un ejemplo en el que la sensibilidad se define como la relación entre la respuesta del sensor y la cantidad medida. Se debe tener en cuenta que, al utilizar esta definición para comparar sensores, la sensibilidad del sensor puede depender de componentes como amplificadores de voltaje de salida, que pueden aumentar la respuesta del sensor de modo que la sensibilidad no sea una pura figura de mérito del sensor solo, sino de la combinación de todos los componentes en la ruta de la señal desde la entrada hasta la respuesta.

Receptores

La sensibilidad de un receptor, como un receptor de radio , indica su capacidad para extraer información de una señal débil, cuantificada como el nivel de señal más bajo que puede ser útil. ^[8] Se define matemáticamente como la señal de entrada mínima requerida para producir una relación señal-ruido especificada en el puerto de salida del receptor y se define como la potencia de ruido media en el puerto de entrada del receptor multiplicada por la relación señal-ruido mínima requerida en la salida del receptor: ${\displaystyle S_{i}}$

${\displaystyle S_{i}=k(T_{a}+T_{rx})B\;\cdot \;{\frac {S_{o}}{N_{o}}}}$

dónde

${\displaystyle S_{i}}$= sensibilidad [W]

${\displaystyle k}$= constante de Boltzmann

${\displaystyle T_{a}}$= temperatura de ruido equivalente en [K] de la fuente (por ejemplo, antena) a la entrada del receptor

${\displaystyle T_{rx}}$= temperatura de ruido equivalente en [K] del receptor referida a la entrada del receptor

${\displaystyle B}$= ancho de banda [Hz]

${\displaystyle {\frac {S_{o}}{N_{o}}}}$= Relación señal/ruido requerida en la salida [-]

La misma fórmula también se puede expresar en términos del factor de ruido del receptor como

${\displaystyle S_{i}=N_{i}\;\cdot \;F\;\cdot \;SNR_{o}=kT_{a}B\;\cdot \;F\;\cdot \;SNR_{o}}$

dónde

${\displaystyle F}$= factor de ruido

${\displaystyle N_{i}}$= potencia de ruido de entrada

${\displaystyle SNR_{o}}$= SNR requerida en la salida.

Debido a que la sensibilidad del receptor indica cuán débil puede ser una señal de entrada para que el receptor la reciba con éxito, cuanto menor sea el nivel de potencia, mejor. Una potencia menor para una relación señal/ruido dada significa una mejor sensibilidad, ya que la contribución del receptor es menor. Cuando la potencia se expresa en dBm, cuanto mayor sea el valor absoluto del número negativo, mejor será la sensibilidad de recepción. Por ejemplo, una sensibilidad del receptor de −98  dBm es mejor que una sensibilidad de recepción de −95 dBm en 3 dB, o un factor de dos. En otras palabras, a una velocidad de datos especificada, un receptor con una sensibilidad de −98 dBm puede escuchar señales que son la mitad de la potencia de las que escucha un receptor con una sensibilidad de −95 dBm. ^{[ cita requerida ]} .

Sensores electrónicos

En el caso de los sensores electrónicos, la señal de entrada puede ser de muchos tipos, como posición, fuerza, aceleración, presión o campo magnético. La señal de salida de un sensor analógico electrónico suele ser una señal de tensión o de corriente . La capacidad de respuesta de un sensor lineal ideal en ausencia de ruido se define como , mientras que para los sensores no lineales se define como la pendiente local . En ausencia de ruido y señales en la entrada, se supone que el sensor genera un ruido de salida intrínseco constante . Para alcanzar una relación señal/ruido especificada en la salida , se combinan estas ecuaciones y se obtiene la siguiente ecuación idealizada para su sensibilidad ^[5] , que es igual al valor de la señal de entrada que da como resultado la relación señal/ruido especificada en la salida: ${\textstyle S_{i}}$ ${\textstyle S_{o}}$ ${\textstyle R=S_{o}/S_{i}}$ ${\displaystyle \mathrm {d} S_{o}/\mathrm {d} S_{i}}$ ${\textstyle N_{oi}}$ ${\displaystyle SNR_{o}=S_{o}/N_{oi}}$ ${\displaystyle S}$ ${\textstyle S_{i,SNR_{o}}}$ ${\displaystyle SNR_{o}}$

${\displaystyle S=S_{i,SNR_{o}}={\frac {N_{oi}}{R}}SNR_{o}}$

Esta ecuación muestra que la sensibilidad del sensor se puede disminuir (=mejorar) ya sea reduciendo el ruido intrínseco del sensor o aumentando su capacidad de respuesta . Este es un ejemplo de un caso donde la sensibilidad se define como la señal de entrada mínima requerida para producir una señal de salida especificada que tenga una relación señal-ruido especificada. ^[2] Esta definición tiene la ventaja de que la sensibilidad está estrechamente relacionada con el límite de detección de un sensor si se especifica la relación señal -ruido mínima detectable ₍ SNR ). La elección de la relación señal-ruido _o utilizada en la definición de sensibilidad depende del nivel de confianza requerido para que una señal se detecte de manera confiable ( confianza (estadísticas) ), y generalmente se encuentra entre 1 y 10. La sensibilidad depende de parámetros como el ancho de banda BW o el tiempo de integración τ = 1/(2BW) (como se explica aquí: NEP ), porque el nivel de ruido se puede reducir promediando la señal , lo que generalmente resulta en una reducción de la amplitud del ruido como donde es el tiempo de integración durante el cual se promedia la señal. Se puede proporcionar una medida de sensibilidad independiente del ancho de banda utilizando la amplitud o la densidad espectral de potencia del ruido y/o las señales ( ) en la definición, con unidades como m/Hz ^1/2 , N/Hz ^1/2 , W/Hz o V/Hz ^1/2 . Para una señal de ruido blanco sobre el ancho de banda del sensor, su densidad espectral de potencia se puede determinar a partir de la potencia total del ruido (sobre el ancho de banda completo) utilizando la ecuación . Su densidad espectral de amplitud es la raíz cuadrada de este valor . Tenga en cuenta que en el procesamiento de señales las palabras energía y potencia también se utilizan para cantidades que no tienen la unidad Watt ( Energía (procesamiento de señales) ). ${\textstyle N_{oi}}$ ${\textstyle R}$ ${\displaystyle N_{oi}\propto 1/{\sqrt {\tau }}}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle S_{i},S_{o},N_{oi}}$ ${\displaystyle N_{oi,\mathrm {tot} }}$ ${\displaystyle N_{oi,\mathrm {PSD} }=N_{oi,\mathrm {tot} }/BW}$ ${\displaystyle N_{oi,\mathrm {ASD} }={\sqrt {N_{oi,\mathrm {PSD} }}}}$

En algunos instrumentos, como los analizadores de espectro , se asume por defecto una relación señal/ruido (SNR ₎ ^{de 1 en un ancho de banda especificado de 1 Hz al definir su sensibilidad. [2]} Para los instrumentos que miden potencia, que también incluyen fotodetectores, esto da como resultado que la sensibilidad se vuelva igual a la potencia equivalente al ruido y para otros instrumentos se vuelva igual a la entrada equivalente al ruido ^[9] . Un valor más bajo de la sensibilidad corresponde a un mejor rendimiento (se pueden detectar señales más pequeñas), lo que parece contrario al uso común de la palabra sensibilidad donde una sensibilidad más alta corresponde a un mejor rendimiento. ^{[6] [10]} Por lo tanto, se ha argumentado que es preferible utilizar la detectividad , que es el recíproco de la entrada equivalente al ruido, como una métrica para el rendimiento de los detectores ^{[9] [11]} . ${\displaystyle NEI=N_{oi,ASD}/R}$ ${\displaystyle D=R/N_{oi}}$

Como ejemplo, considere un sensor de fuerza piezorresistivo a través del cual circula una corriente constante, de modo que tiene una capacidad de respuesta . El ruido de Johnson de la resistencia genera una densidad espectral de amplitud de ruido de . Para una relación señal-ruido (SNR) especificada _de 1, esto da como resultado una sensibilidad y una entrada equivalente al ruido de y una detectividad de , de modo que una señal de entrada de 10 nN genera el mismo voltaje de salida que el ruido en un ancho de banda de 1 Hz. ${\displaystyle R=1.0~\mathrm {V} /\mathrm {N} }$ ${\displaystyle N_{oi,{\textrm {ASD}}}=10~\mathrm {nV} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$ ${\displaystyle S_{i,ASD}=NEI=10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$ ${\displaystyle (10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }})^{-1}}$

Referencias

1. Hernandez, Marco; Mucchi, Lorenzo (2014). Capítulo 1 - Estudio de coexistencia y encuesta de redes de área corporal IEEE 802.15.6™ -2012, UWB PHY. Academic Press. págs. 1–44. doi :10.1016/B978-0-12-396520-2.00001-7. ISBN 978-0-12-396520-2. Recuperado el 19 de marzo de 2024 .
2. 100-2000 - Diccionario autorizado de términos de estándares IEEE, séptima edición (informe). 2000. doi :10.1109/ieeestd.2000.322230. ISBN 0-7381-2601-2.
3. Vig, JR; Walls, FL (2000). "Una revisión de la sensibilidad y estabilidad del sensor". Actas del Simposio y Exhibición Internacional de Control de Frecuencia IEEE/EIA de 2000 (Cat. No.00CH37052) . IEEE. págs. 30–33. doi :10.1109/FREQ.2000.887325. ISBN . 978-0-7803-5838-6.
4. Libro: Sensores y transductores Características, aplicaciones, instrumentación, interconexión M..J. Usher y DA Keating
5. "Conferencia 2: Procesos de ruido y sensibilidad de medición — Notas abiertas sobre medición y detección cuántica". interactivetextbooks.tudelft.nl . Consultado el 19 de agosto de 2024 .
6. Ekins, Roger; Edwards, Philip (1997-10-01). "Punto sobre el significado de "sensibilidad"". Química clínica . 43 (10): 1824–1831. doi :10.1093/clinchem/43.10.1824. ISSN  0009-9147.
7. "Acústica subacuática". resource.npl.co.uk . Consultado el 4 de diciembre de 2020 .
8. Layne, Dennis. "Sensibilidad del receptor y ancho de banda de ruido equivalente". Electrónica de alta frecuencia . Archivado desde el original el 23 de agosto de 2020. Consultado el 23 de agosto de 2020 .
9. Jones, R. (1959). "Descripción fenomenológica de la respuesta y capacidad de detección de los detectores de radiación". Actas del IRE . 47 (9): 1495–1502. doi :10.1109/JRPROC.1959.287047. ISSN  0096-8390.
10. "sensibilidad", Wikcionario, el diccionario libre , 2024-08-19 , consultado el 2024-08-21
11. Clark Jones, R. (1952). "'Detectividad': el recíproco de la entrada de radiación equivalente al ruido". Nature . 170 (4335): 937–938. Bibcode :1952Natur.170..937C. doi :10.1038/170937b0. ISSN  1476-4687.

 Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).

Enlaces externos

• Conversión de sensibilidad del micrófono de dB a 1 V/Pa a factor de transferencia en mV/Pa