Sensibilidad (electrónica)

La sensibilidad de un dispositivo electrónico , como un receptor de sistema de comunicaciones o un detector, como un diodo PIN , es la magnitud mínima de la señal de entrada necesaria para producir una señal de salida específica con una relación señal/ruido determinada u otros criterios específicos. En general, es el nivel de señal requerido para una calidad particular de la información recibida. ^{[ 1 ]}

En el procesamiento de señales , la sensibilidad también está relacionada 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 ]} establece: "Las definiciones de sensibilidad se dividen en dos categorías contrastantes". También proporciona múltiples definiciones relevantes para 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 específica con una relación señal-ruido específica." La primera de estas definiciones es similar a la definición de responsividad y, en consecuencia, a veces se considera que la sensibilidad se utiliza incorrectamente como sinónimo de responsividad , ^{[ 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 : la relación entre la señal de salida y la de entrada, o la pendiente de la curva de respuesta de salida frente a la de entrada de un transductor , micrófono o sensor . En la sección siguiente sobre electroacústica se incluye un ejemplo.
• Sensibilidad (segunda definición): magnitud mínima de la señal de entrada necesaria para producir una señal de salida con una relación señal/ruido específica en un instrumento o sensor . En las secciones siguientes sobre receptores y sensores electrónicos se ofrecen ejemplos del uso de esta definición.

^La sensibilidad de un micrófono se suele expresar como la intensidad del campo sonoro en decibelios (dB) con respecto a 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 kiloohm . La sensibilidad de un hidrófono se suele expresar en dB con respecto a 1 V/μPa. ^{[ 7 ]}

La sensibilidad de un altavoz se suele expresar en dB / 2,83 V _RMS a 1 metro. Esto no es lo mismo que la eficiencia eléctrica ; véase Eficiencia vs. sensibilidad . Este es un ejemplo donde la sensibilidad se define como la relación entre la respuesta del sensor y la magnitud medida. Cabe destacar que, al utilizar esta definición para comparar sensores, la sensibilidad del sensor puede depender de componentes como los amplificadores de voltaje de salida, que pueden aumentar la respuesta del sensor, de modo que la sensibilidad no es un indicador puro del sensor en sí, sino de la combinación de todos los componentes en la ruta de la señal desde la entrada hasta la respuesta.

La sensibilidad en 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${\displaystyle S_{i}}$requerido para producir una relación señal/ruido (S/N) específica 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:

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

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) en 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 puede expresarse 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

${\displaystyle SNR_{o}}$= relación señal/ruido requerida en la salida.

Dado que la sensibilidad del receptor indica cuán débil puede ser una señal de entrada para ser recibida correctamente por el receptor, cuanto menor sea el nivel de potencia, mejor. Una menor potencia de la señal de entrada para una relación señal/ruido dada significa una mejor sensibilidad, ya que la contribución del receptor al ruido 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 de recepción 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 específica, un receptor con una sensibilidad de -98 dBm puede escuchar (o extraer audio, video o datos utilizables de) señales que tienen la mitad de la potencia de las escuchadas por un receptor con una sensibilidad de -95 dBm .     

Para los sensores electrónicos, la señal de entrada${\textstyle S_{i}}$Pueden 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 voltaje o de corriente.${\textstyle S_{o}}$La capacidad de respuesta de un sensor lineal ideal en ausencia de ruido se define como${\textstyle R=S_{o}/S_{i}}$, mientras que para los sensores no lineales se define como la pendiente local${\displaystyle \mathrm {d} S_ {o}/\mathrm {d} S_ {i}}$En ausencia de ruido y señales en la entrada, se supone que el sensor genera un ruido de salida intrínseco constante.${\textstyle N_{oi}}$Para alcanzar una relación señal/ruido específica en la salida${\displaystyle SNR_{o}=S_{o}/N_{oi}}$, se combinan estas ecuaciones y se obtiene la siguiente ecuación idealizada para su sensibilidad ^{[ 5 ]}${\displaystyle S}$, que es igual al valor de la señal de entrada${\textstyle S_{i,SNR_{o}}}$que resulta en la relación señal-ruido especificada${\displaystyle SNR_{o}}$en la salida:

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

Esta ecuación muestra que la sensibilidad del sensor puede disminuirse (=mejorarse) reduciendo el ruido intrínseco del sensor.${\textstyle N_{oi}}$o aumentando su capacidad de respuesta.${\textstyle R}$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 específica con una relación señal-ruido específica. ^{[ 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 SNR mínima detectable _o ( SNR ). La elección de la SNR _o utilizada en la definición de sensibilidad depende del nivel de confianza requerido para que una señal se detecte de forma fiable ( confianza (estadística) ), y normalmente 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 mediante el promedio de la señal , lo que generalmente resulta en una reducción de la amplitud del ruido como${\displaystyle N_{oi}\propto 1/{\sqrt {\tau }}}$dónde${\displaystyle \tau }$es el tiempo de integración sobre 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 (${\displaystyle S_{i},S_{o},N_{oi}}$) 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 en el ancho de banda del sensor, su densidad espectral de potencia se puede determinar a partir de la potencia total del ruido.${\displaystyle N_{oi,\mathrm {tot} }}$(en todo el ancho de banda) utilizando la ecuación${\displaystyle N_{oi,\mathrm {PSD} }=N_{oi,\mathrm {tot} }/BW}$Su densidad espectral de amplitud es la raíz cuadrada de este valor.${\displaystyle N_{oi,\mathrm {ASD} }={\sqrt {N_{oi,\mathrm {PSD} }}}}$. 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) ).

En algunos instrumentos, como los analizadores de espectro , se asume por defecto una relación señal/ruido (SNR _{) de 1 en un ancho de banda específico de 1 Hz al definir su sensibilidad.} ^{[ 2 ]} Para los instrumentos que miden potencia, que también incluyen fotodetectores, esto hace que la sensibilidad sea igual a la potencia equivalente al ruido y para otros instrumentos es igual a la entrada equivalente al ruido. ^{[ 9 ]}${\displaystyle NEI=N_{oi,TEA}/R}$Un valor menor de sensibilidad corresponde a un mejor rendimiento (se pueden detectar señales más débiles), lo que parece contrario al uso común de la palabra sensibilidad, donde una mayor sensibilidad 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 ]}${\displaystyle D=R/N_{oi}}$.

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

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

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