Чувствительность (электроника)

Минимальная величина входного сигнала для получения заданного выходного сигнала электронным устройством

Чувствительность электронного устройства , например, приемника системы связи или устройства обнаружения, например, PIN-диода , — это минимальная величина входного сигнала, необходимая для получения заданного выходного сигнала с заданным отношением сигнал/шум или другими заданными критериями . В общем, это уровень сигнала, необходимый для определенного качества полученной информации. ^[1]

При обработке сигналов чувствительность также связана с полосой пропускания и уровнем шума , что более подробно объясняется ниже.

В области электроники используются различные определения чувствительности. Словарь IEEE ^{[2] [3]} гласит: «Определения чувствительности делятся на две контрастные категории». Он также дает несколько определений, относящихся к датчикам, среди которых 1: «(измерительные приборы) Отношение величины его отклика к величине измеряемой величины» и 2: «(радиоприемник или аналогичное устройство) Принимается как минимальный входной сигнал, необходимый для получения указанного выходного сигнала, имеющего указанное отношение сигнал/шум». Первое из этих определений похоже на определение чувствительности , и, как следствие, чувствительность иногда считается неправильно используемой в качестве синонима чувствительности , ^{[4] [5]} и утверждается, что второе определение, которое тесно связано с пределом обнаружения , является лучшим индикатором производительности измерительной системы. ^[6]

Подводя итог, можно сказать, что в области электроники используются два противоположных определения чувствительности.

• Чувствительность первое определение: отношение между выходным и входным сигналом или наклон выходной и входной кривой отклика преобразователя , микрофона или датчика . Пример приведен в разделе ниже по электроакустике.
• Второе определение чувствительности: минимальная величина входного сигнала, необходимая для получения выходного сигнала с заданным отношением сигнал/шум прибора или датчика . Примеры использования этого определения приведены в разделах ниже, посвященных приемникам и электронным датчикам.

Электроакустика

Чувствительность микрофона обычно выражается как напряженность звукового поля в децибелах (дБ) относительно 1 В / Па (Па = Н / м2 ) или как коэффициент передачи в милливольтах на паскаль (мВ/Па) в ^{разомкнутую} цепь или в нагрузку 1 кОм . ^{[ необходима ссылка ]}

Чувствительность громкоговорителя обычно выражается как дБ/2,83 В _RMS на расстоянии 1 метра. ^{[ требуется ссылка ]} Это не то же самое, что электрическая эффективность ; см. Эффективность против чувствительности . Чувствительность гидрофона обычно выражается как дБ относительно 1 В/мкПа. ^[7]

Это пример, где чувствительность определяется как отношение отклика датчика к измеренной величине. Следует понимать, что при использовании этого определения для сравнения датчиков чувствительность датчика может зависеть от таких компонентов, как усилители выходного напряжения, которые могут увеличить отклик датчика, так что чувствительность не является чистым показателем качества одного датчика, а представляет собой комбинацию всех компонентов на пути сигнала от входа до отклика.

Приемники

Чувствительность приемника, например радиоприемника , указывает на его способность извлекать информацию из слабого сигнала, количественно определяемую как самый низкий уровень сигнала, который может быть полезен. ^[8] Математически она определяется как минимальный входной сигнал, необходимый для получения заданного отношения сигнал/шум на выходном порту приемника, и определяется как средняя мощность шума на входном порту приемника, умноженная на минимально необходимое отношение сигнал/шум на выходе приемника: ${\displaystyle S_{i}}$

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

где

${\displaystyle S_{i}}$= чувствительность [Вт]

${\displaystyle k}$= постоянная Больцмана

${\displaystyle T_{a}}$= эквивалентная шумовая температура в [К] источника (например, антенны) на входе приемника

${\displaystyle T_{rx}}$= эквивалентная шумовая температура в [К] приемника, отнесенная к входу приемника

${\displaystyle B}$= полоса пропускания [Гц]

${\displaystyle {\frac {S_{o}}{N_{o}}}}$= Требуемый SNR на выходе [-]

Эту же формулу можно выразить через коэффициент шума приемника как

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

где

${\displaystyle F}$= коэффициент шума

${\displaystyle N_{i}}$= мощность входного шума

${\displaystyle SNR_{o}}$= требуемое отношение сигнал/шум на выходе.

Поскольку чувствительность приемника показывает, насколько слабым может быть входной сигнал, чтобы быть успешно принятым приемником, чем ниже уровень мощности, тем лучше. Более низкая мощность для данного отношения сигнал/шум означает лучшую чувствительность, поскольку вклад приемника меньше. Когда мощность выражается в дБм, чем больше абсолютное значение отрицательного числа, тем лучше чувствительность приема. Например, чувствительность приемника −98  дБм лучше, чем чувствительность приема −95 дБм на 3 дБ или в два раза. Другими словами, при указанной скорости передачи данных приемник с чувствительностью −98 дБм может слышать сигналы, мощность которых вдвое меньше, чем услышанные приемником с чувствительностью приемника −95 дБм. ^{[ необходима цитата ]} .

Электронные датчики

Для электронных датчиков входной сигнал может быть многих типов, таких как положение, сила, ускорение, давление или магнитное поле. Выходной сигнал для электронного аналогового датчика обычно представляет собой сигнал напряжения или тока . Чувствительность идеального линейного датчика при отсутствии шума определяется как , тогда как для нелинейных датчиков она определяется как локальный наклон . При отсутствии шума и сигналов на входе предполагается, что датчик генерирует постоянный собственный выходной шум . Чтобы достичь заданного отношения сигнал/шум на выходе , эти уравнения объединяются и получается следующее идеализированное уравнение для его чувствительности ^[5] , которое равно значению входного сигнала, что приводит к заданному отношению сигнал/шум на выходе: ${\textstyle S_{i}}$ ${\textstyle S_{o}}$ ${\textstyle R=S_{o}/S_{i}}$ ${\displaystyle \mathrm {d} S_{o}/\mathrm {d} S_{i}}$ ${\textstyle N_{oi}}$ ${\displaystyle SNR_{o}=S_{o}/N_{oi}}$ ${\displaystyle S}$ ${\textstyle S_{i,SNR_{o}}}$ ${\displaystyle SNR_{o}}$

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

Это уравнение показывает, что чувствительность датчика может быть уменьшена (= улучшена) либо за счет уменьшения собственного шума датчика , либо за счет увеличения его чувствительности . Это пример случая, когда чувствительность определяется как минимальный входной сигнал, необходимый для получения указанного выходного сигнала с указанным отношением сигнал/шум. ^[2] Это определение имеет то преимущество, что чувствительность тесно связана с пределом обнаружения датчика, если указан минимальный обнаруживаемый SNR _o ( SNR ). Выбор SNR _o, используемого в определении чувствительности, зависит от требуемого уровня достоверности для надежного обнаружения сигнала ( достоверность (статистика) ), и обычно лежит в пределах от 1 до 10. Чувствительность зависит от таких параметров, как ширина полосы пропускания BW или время интегрирования τ=1/(2BW) (как объяснено здесь: NEP ), поскольку уровень шума может быть уменьшен путем усреднения сигнала , что обычно приводит к уменьшению амплитуды шума, поскольку где - время интегрирования, по которому усредняется сигнал. Мера чувствительности, не зависящая от полосы пропускания, может быть предоставлена ​​с использованием амплитуды или спектральной плотности мощности шума и/или сигналов ( ) в определении с такими единицами, как м/Гц ^1/2 , N/Гц ^1/2 , Вт/Гц или В/Гц ^1/2 . Для сигнала белого шума в полосе пропускания датчика его спектральная плотность мощности может быть определена из общей мощности шума (в полной полосе пропускания) с помощью уравнения . Его амплитудная спектральная плотность является квадратным корнем этого значения . Обратите внимание, что в обработке сигналов слова энергия и мощность также используются для величин, которые не имеют единицы измерения Ватт ( Энергия (обработка сигнала) ). ${\textstyle N_{oi}}$ ${\textstyle R}$ ${\displaystyle N_{oi}\propto 1/{\sqrt {\tau }}}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle S_{i},S_{o},N_{oi}}$ ${\displaystyle N_{oi,\mathrm {tot} }}$ ${\displaystyle N_{oi,\mathrm {PSD} }=N_{oi,\mathrm {tot} }/BW}$ ${\displaystyle N_{oi,\mathrm {ASD} }={\sqrt {N_{oi,\mathrm {PSD} }}}}$

В некоторых приборах, таких как анализаторы спектра , при определении их чувствительности по умолчанию предполагается SNR ₁ ^{при указанной полосе пропускания 1 Гц. [2]} Для приборов, измеряющих мощность, которые также включают фотодетекторы, это приводит к тому, что чувствительность становится равной эквивалентной шуму мощности , а для других приборов она становится равной эквивалентному шуму входному сигналу ^[9] . Более низкое значение чувствительности соответствует лучшей производительности (могут быть обнаружены более слабые сигналы), что, по-видимому, противоречит общепринятому использованию слова «чувствительность», где более высокая чувствительность соответствует лучшей производительности. ^{[6] [10]} Поэтому утверждается, что предпочтительнее использовать обнаружительную способность , которая является обратной величиной эквивалентного шуму входного сигнала, в качестве метрики производительности детекторов ^{[9] [11]} . ${\displaystyle NEI=N_{oi,ASD}/R}$ ${\displaystyle D=R/N_{oi}}$

В качестве примера рассмотрим пьезорезистивный датчик силы, через который протекает постоянный ток, так что он имеет чувствительность . Шум Джонсона резистора генерирует спектральную плотность амплитуды шума . Для указанного SNR _o, равного 1, это приводит к чувствительности и эквивалентному шуму входу и обнаружительной способности , так что входной сигнал 10 нН генерирует то же выходное напряжение, что и шум в полосе пропускания 1 Гц. ${\displaystyle R=1.0~\mathrm {V} /\mathrm {N} }$ ${\displaystyle N_{oi,{\textrm {ASD}}}=10~\mathrm {nV} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$ ${\displaystyle S_{i,ASD}=NEI=10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$ ${\displaystyle (10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }})^{-1}}$

Ссылки

1. Эрнандес, Марко; Мукки, Лоренцо (2014). Глава 1 - Обзор и исследование сосуществования сетей IEEE 802.15.6™ -2012 Body Area Networks, UWB PHY. Academic Press. стр. 1–44. doi :10.1016/B978-0-12-396520-2.00001-7. ISBN 978-0-12-396520-2. Получено 19 марта 2024 г. .
2. 100-2000 - Авторитетный словарь терминов стандартов IEEE, седьмое издание (отчет). 2000. doi :10.1109/ieeestd.2000.322230. ISBN 0-7381-2601-2.
3. Виг, Дж. Р.; Уоллс, FL (2000). «Обзор чувствительности и стабильности датчиков». Труды Международного симпозиума и выставки IEEE/EIA 2000 года по управлению частотой (Кат. № 00CH37052) . IEEE. стр. 30–33. doi :10.1109/FREQ.2000.887325. ISBN 978-0-7803-5838-6.
4. Книга: Характеристики датчиков и преобразователей, применение, приборы, интерфейсы М. Дж. Ашер и Д. А. Китинг
5. "Лекция 2: Шумовые процессы и чувствительность измерений — Open Quantum Sensing and Measurement Notes". interactivetextbooks.tudelft.nl . Получено 2024-08-19 .
6. Экинс, Роджер; Эдвардс, Филипп (1997-10-01). «Точка зрения на значение слова «чувствительность»». Клиническая химия . 43 (10): 1824–1831. doi :10.1093/clinchem/43.10.1824. ISSN  0009-9147.
7. "Подводная акустика". resource.npl.co.uk . Получено 2020-12-04 .
8. Лейн, Деннис. "Чувствительность приемника и эквивалентная ширина полосы шума". Высокочастотная электроника . Архивировано из оригинала 2020-08-23 . Получено 2020-08-23 .
9. Jones, R. (1959). «Феноменологическое описание реакции и детектирующей способности детекторов излучения». Труды IRE . 47 (9): 1495–1502. doi :10.1109/JRPROC.1959.287047. ISSN  0096-8390.
10. "sensitivity", Викисловарь, бесплатный словарь , 2024-08-19 , получено 2024-08-21
11. Кларк Джонс, Р. (1952). «'Обнаруживаемость': обратная величина эквивалентного шуму входного излучения». Nature . 170 (4335): 937–938. Bibcode :1952Natur.170..937C. doi :10.1038/170937b0. ISSN  1476-4687.

 В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Внешние ссылки

• Перевод чувствительности микрофона из дБ при 1 В/Па в коэффициент передачи в мВ/Па