الحساسية (الإلكترونيات)

حساسية جهاز إلكتروني ، مثل مستقبل نظام اتصالات ، أو جهاز كشف، مثل ثنائي PIN ، هي الحد الأدنى لقيمة إشارة الدخل اللازمة لإنتاج إشارة خرج محددة بنسبة إشارة إلى ضوضاء محددة، أو وفقًا لمعايير أخرى محددة. وبشكل عام، هي مستوى الإشارة المطلوب للحصول على جودة معينة من المعلومات المستلمة. ^{[ 1 ]}

في معالجة الإشارات ، ترتبط الحساسية أيضًا بعرض النطاق الترددي ومستوى الضوضاء كما هو موضح بمزيد من التفصيل أدناه.

في مجال الإلكترونيات، تُستخدم تعريفات مختلفة للحساسية. ينص قاموس IEEE ^{[ 2 ] [ 3 ]} على أن: "تعريفات الحساسية تنقسم إلى فئتين متناقضتين". كما يقدم تعريفات متعددة ذات صلة بأجهزة الاستشعار، من بينها: 1- "(أجهزة القياس) نسبة مقدار استجابتها إلى مقدار الكمية المقاسة." و2- "(جهاز استقبال لاسلكي أو جهاز مشابه) تُعتبر الحد الأدنى لإشارة الإدخال اللازمة لإنتاج إشارة إخراج محددة بنسبة إشارة إلى ضوضاء محددة." يشبه التعريف الأول تعريف الاستجابة ، ونتيجة لذلك، يُعتبر استخدام الحساسية أحيانًا مرادفًا للاستجابة بشكل غير صحيح ، ^{[ 4 ] [ 5 ]} ويُجادل بأن التعريف الثاني، المرتبط ارتباطًا وثيقًا بحد الكشف ، يُعد مؤشرًا أفضل لأداء نظام القياس. ^{[ 6 ]}

باختصار، يُستخدم تعريفان متناقضان للحساسية في مجال الإلكترونيات

• تعريف الحساسية أولاً: هي النسبة بين إشارة الخرج وإشارة الدخل، أو ميل منحنى استجابة الخرج مقابل الدخل لمحول الطاقة أو الميكروفون أو المستشعر . يُقدَّم مثال على ذلك في القسم التالي الخاص بعلم الصوتيات الكهربائية.
• التعريف الثاني للحساسية : هي الحد الأدنى لقيمة إشارة الدخل اللازمة لإنتاج إشارة خرج بنسبة إشارة إلى ضوضاء محددة لجهاز أو مستشعر . ترد أمثلة على استخدام هذا التعريف في الأقسام التالية المتعلقة بأجهزة الاستقبال والمستشعرات الإلكترونية.

تُقاس حساسية الميكروفون عادةً بشدة المجال الصوتي بالديسيبل (dB) نسبةً إلى 1 فولت / باسكال (باسكال = نيوتن / م² ⁾ ، أو بمعامل النقل بالمللي فولت/ باسكال (mV/Pa) في دائرة مفتوحة أو عند مقاومة 1 كيلو أوم . أما حساسية الميكروفون المائي فتُقاس عادةً بالديسيبل نسبةً إلى 1 فولت/ميكروباسكال. ^{[ 7 ]}

تُقاس حساسية مكبر الصوت عادةً بوحدة ديسيبل / 2.83 فولت _RMS عند مسافة متر واحد. وهذا يختلف عن الكفاءة الكهربائية ؛ انظر: الكفاءة مقابل الحساسية . في هذا المثال، تُعرَّف الحساسية بأنها نسبة استجابة المستشعر إلى الكمية المقاسة. يجب الانتباه إلى أنه عند استخدام هذا التعريف لمقارنة المستشعرات، قد تعتمد حساسية المستشعر على مكونات مثل مضخمات جهد الخرج، التي يمكنها زيادة استجابة المستشعر، بحيث لا تكون الحساسية مؤشرًا دقيقًا لأداء المستشعر وحده، بل هي مجموع أداء جميع المكونات في مسار الإشارة من المدخل إلى الاستجابة.

تشير حساسية جهاز الاستقبال، مثل جهاز استقبال الراديو ، إلى قدرته على استخلاص المعلومات من إشارة ضعيفة، تُقاس بأدنى مستوى إشارة يمكن الاستفادة منه. ^{[ 8 ]} وهي تُعرَّف رياضيًا بأنها الحد الأدنى لإشارة الإدخال${\displaystyle S_{i}}$يُشترط تحقيق نسبة إشارة إلى ضوضاء محددة عند منفذ الإخراج لجهاز الاستقبال، وتُعرَّف بأنها متوسط ​​قدرة الضوضاء عند منفذ الإدخال لجهاز الاستقبال مضروبًا في الحد الأدنى المطلوب لنسبة الإشارة إلى الضوضاء عند مخرج جهاز الاستقبال:

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

أين

${\displaystyle S_{i}}$= الحساسية [واط]

${\displaystyle k}$= ثابت بولتزمان

${\displaystyle T_{a}}$= درجة حرارة الضوضاء المكافئة بالكلفن للمصدر (مثل الهوائي) عند مدخل جهاز الاستقبال

${\displaystyle T_{rx}}$= درجة حرارة الضوضاء المكافئة بوحدة [كلفن] لجهاز الاستقبال، مُشارًا إليها عند مدخل جهاز الاستقبال

${\displaystyle B}$= عرض النطاق الترددي [هرتز]

${\displaystyle {\frac {S_{o}}{N_{o}}}}$= نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة عند المخرج [-]

ويمكن التعبير عن الصيغة نفسها بدلالة عامل الضوضاء الخاص بجهاز الاستقبال كما يلي:

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

أين

${\displaystyle F}$= عامل الضوضاء

${\displaystyle N_{i}}$= قدرة ضوضاء الإدخال

${\displaystyle SNR_{o}}$= نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة عند الإخراج.

لأن حساسية جهاز الاستقبال تُشير إلى مدى ضعف إشارة الإدخال التي يمكن استقبالها بنجاح، فكلما انخفض مستوى الطاقة، كان ذلك أفضل. انخفاض طاقة إشارة الإدخال لنسبة إشارة إلى ضوضاء مُحددة يعني حساسية أفضل، لأن مساهمة جهاز الاستقبال في الضوضاء تكون أقل. عند التعبير عن الطاقة بوحدة ديسيبل ميلي واط (dBm)، كلما زادت القيمة المطلقة للعدد السالب ، كانت حساسية الاستقبال أفضل. على سبيل المثال، حساسية جهاز استقبال تبلغ -98 ديسيبل ميلي واط أفضل من حساسية جهاز استقبال تبلغ -95 ديسيبل ميلي واط بمقدار 3 ديسيبل، أي ضعفين. بعبارة أخرى، عند معدل بيانات مُحدد، يستطيع جهاز استقبال بحساسية -98 ديسيبل ميلي واط سماع (أو استخراج صوت أو فيديو أو بيانات قابلة للاستخدام من) إشارات بنصف طاقة تلك التي يسمعها جهاز استقبال بحساسية -95 ديسيبل ميلي واط .     

بالنسبة لأجهزة الاستشعار الإلكترونية، تكون إشارة الإدخال${\textstyle S_{i}}$يمكن أن تكون من أنواع عديدة، مثل الموضع، والقوة، والتسارع، والضغط، أو المجال المغناطيسي. عادةً ما تكون إشارة الخرج لمستشعر تناظري إلكتروني عبارة عن إشارة جهد أو تيار.${\textstyle S_{o}}$تُعرَّف استجابة المستشعر الخطي المثالي في غياب الضوضاء على النحو التالي:${\textstyle R=S_{o}/S_{i}}$أما بالنسبة لأجهزة الاستشعار غير الخطية، فيتم تعريفها على أنها الميل المحلي${\displaystyle \mathrm {d} S_{o}/\mathrm {d} S_{i}}$في حالة عدم وجود ضوضاء أو إشارات عند المدخل، يُفترض أن المستشعر يُولّد ضوضاء خرج داخلية ثابتة${\textstyle N_{oi}}$للوصول إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء محددة عند المخرج${\displaystyle SNR_{o}=S_{o}/N_{oi}}$، يقوم المرء بدمج هذه المعادلات ويحصل على المعادلة المثالية التالية لحساسيتها ^{[ 5 ]}${\displaystyle S}$، وهو ما يساوي قيمة إشارة الإدخال${\textstyle S_{i,SNR_{o}}}$ينتج عن ذلك نسبة الإشارة إلى الضوضاء المحددة${\displaystyle SNR_{o}}$عند المخرج:

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

توضح هذه المعادلة أنه يمكن تقليل حساسية المستشعر (أو تحسينها) إما عن طريق تقليل الضوضاء الداخلية للمستشعر${\textstyle N_{oi}}$أو عن طريق زيادة استجابته${\textstyle R}$هذا مثال على حالة تُعرَّف فيها الحساسية بأنها الحد الأدنى لإشارة الإدخال اللازمة لإنتاج إشارة إخراج محددة بنسبة إشارة إلى ضوضاء محددة. ^{[ 2 ]} يتميز هذا التعريف بأن الحساسية ترتبط ارتباطًا وثيقًا بحد الكشف للمستشعر إذا تم تحديد الحد الأدنى لنسبة الإشارة إلى الضوضاء القابلة للكشف ( _SNR ) . يعتمد اختيار قيمة SNR المستخدمة في تعريف الحساسية على مستوى الثقة المطلوب للكشف عن الإشارة بشكل موثوق ( _الثقة (الإحصائيات) )، ويتراوح عادةً بين 1 و10. تعتمد الحساسية على معلمات مثل عرض النطاق الترددي (BW) أو زمن التكامل (τ = 1/(2BW)) (كما هو موضح هنا: NEP )، لأنه يمكن تقليل مستوى الضوضاء عن طريق حساب متوسط ​​الإشارة ، مما يؤدي عادةً إلى تقليل سعة الضوضاء.${\displaystyle N_{oi}\propto 1/{\sqrt {\tau }}}$أين${\displaystyle \tau }$يمثل زمن التكامل الذي يتم خلاله حساب متوسط ​​الإشارة. ويمكن توفير مقياس للحساسية مستقل عن عرض النطاق الترددي باستخدام سعة أو كثافة القدرة الطيفية للضوضاء أو الإشارات (${\displaystyle S_{i},S_{o},N_{oi}}$) في التعريف، بوحدات مثل m/Hz ^1/2 ، N/Hz ^1/2 ، W/Hz أو V/Hz ^1/2 . بالنسبة لإشارة الضوضاء البيضاء ضمن نطاق تردد المستشعر، يمكن تحديد كثافة القدرة الطيفية لها من إجمالي قدرة الضوضاء${\displaystyle N_{oi,\mathrm {tot} }}$(على كامل عرض النطاق الترددي) باستخدام المعادلة${\displaystyle N_{oi,\mathrm {PSD} }=N_{oi,\mathrm {tot} }/BW}$. كثافة الطيف السعوي لها هي الجذر التربيعي لهذه القيمة${\displaystyle N_{oi,\mathrm {ASD} }={\sqrt {N_{oi,\mathrm {PSD} }}}}$لاحظ أنه في معالجة الإشارات، تُستخدم كلمتا الطاقة والقدرة أيضًا للكميات التي ليس لها وحدة الواط ( الطاقة (معالجة الإشارات) ).

في بعض الأجهزة، مثل محللات الطيف ، يُفترض افتراضيًا أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR _{) تساوي 1 عند عرض نطاق ترددي محدد يبلغ 1 هرتز عند تحديد حساسيتها.} ^{[ 2 ]} بالنسبة للأجهزة التي تقيس القدرة، والتي تشمل أيضًا كاشفات الضوء، ينتج عن ذلك أن تصبح الحساسية مساوية للقدرة المكافئة للضوضاء، وبالنسبة للأجهزة الأخرى تصبح مساوية للإدخال المكافئ للضوضاء. ^{[ 9 ]}${\displaystyle NEI=N_{oi,ASD}/R}$انخفاض قيمة الحساسية يدل على أداء أفضل (إمكانية الكشف عن إشارات أضعف)، وهو ما يبدو مناقضًا للاستخدام الشائع لكلمة "حساسية" حيث تدل الحساسية الأعلى على أداء أفضل. ^{[ 6 ] [ 10 ]} لذلك، يُفضّل استخدام "الكشفية" ، وهي مقلوب المدخل المكافئ للضوضاء، كمقياس لأداء أجهزة الكشف. ^{[ 9 ] [ 11 ]}${\displaystyle D=R/N_{oi}}$.

على سبيل المثال، لنفترض وجود مستشعر قوة كهرضغطية يمر عبره تيار ثابت، بحيث يكون له استجابة${\displaystyle R=1.0~\mathrm {V} /\mathrm {N} }$يُولّد ضجيج جونسون للمقاومة كثافة طيفية لسعة الضجيج تبلغ${\displaystyle N_{oi,{\textrm {ASD}}}=10~\mathrm {nV} /{\sqrt {\mathrm {هرتز} }}}$بالنسبة لنسبة إشارة إلى ضوضاء _محددة تساوي 1، ينتج عن ذلك حساسية ومدخل مكافئ للضوضاء من${\displaystyle S_{i,ASD}=NEI=10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$وقدرته على الكشف عن${\displaystyle (10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }})^{-1}}$، بحيث تولد إشارة دخل مقدارها 10 نانو نيوتن نفس جهد الخرج الذي تولده الضوضاء على نطاق ترددي يبلغ 1 هرتز.

 تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22 يناير 2022. (دعماً لـ MIL-STD-188 ).

• تحويل حساسية الميكروفون من ديسيبل عند 1 فولت/باسكال إلى عامل النقل بالمللي فولت/باسكال