感度（電子機器）

通信システム受信機などの電子機器、またはPINダイオードなどの検出装置の感度とは、特定の信号対雑音比またはその他の特定の基準を満たす特定の出力信号を生成するために必要な入力信号の最小振幅のことである。一般に、それは受信情報の特定の品質に必要な信号レベルである。^{[ 1 ]}

信号処理においては、感度は帯域幅やノイズフロアとも関連しており、これについては以下でさらに詳しく説明します。

電子工学の分野では、感度にはさまざまな定義が用いられています。IEEE辞書^{[ 2 ] [ 3 ]}には、「感度の定義は、2つの対照的なカテゴリに分類される」と記載されています。また、センサーに関連する複数の定義も提供されており、その中には1：「（測定装置）測定対象量の大きさに対する応答の大きさの比」と2：「（無線受信機または類似の装置）指定された信号対雑音比を持つ指定された出力信号を生成するために必要な最小入力信号」があります。これらの定義のうち最初のものは応答性の定義に似ているため、感度は応答性の同義語として不適切に使用されていると考えられることがあります[ ^{4 ] [ 5 ]。}また、検出限界と密接に関連する2番目の定義の方が、測定システムの性能を示すより良い指標である^と主張されています^{[ 6 ] 。}

要約すると、電子工学の分野では感度に関して2つの対照的な定義が用いられている。

• 感度の定義：まず、出力信号と入力信号の比率、またはトランスデューサ、マイクロホン、センサーの出力対入力応答曲線の傾きを指します。電気音響に関する以下のセクションで例を示します。
• 感度に関する2つ目の定義：計測器またはセンサの特定の信号対雑音比を持つ出力信号を生成するために必要な入力信号の最小振幅。この定義の使用例は、以下の受信機および電子センサに関するセクションで示されています。

マイクロホンの感度は通常、 1 V / Pa (Pa = N / m ^{2 ) に対する}デシベル(dB) 単位の音場強度、または開放回路もしくは 1 キロオーム負荷に対するミリボルト/パスカル(mV/Pa)単位の伝達係数として表されます。ハイドロホンの感度は通常、1 V/μPa に対する dB 単位として表されます。^{[ 7 ]}

スピーカーの感度は通常、 1メートルでdB / 2.83 V _RMSで表されます。これは電気効率とは異なります。効率と感度については、 「効率と感度」を参照してください。これは、感度がセンサーの応答と測定量の比として定義されている例です。この定義を使用してセンサーを比較する場合、センサーの感度は、出力電圧アンプなどのコンポーネントに依存する可能性があることに注意してください。これらのコンポーネントはセンサーの応答を増加させることができるため、感度はセンサー単体の純粋な性能指標ではなく、入力から応答までの信号経路にあるすべてのコンポーネントの組み合わせの性能指標となります。

受信機（例えば無線受信機）の感度は、微弱な信号から情報を抽出する能力を示し、有用な最小信号レベルとして定量化される。^{[ 8 ]}数学的には、最小入力信号として定義される。${\displaystyle S_{i}}$受信機の出力ポートで特定の信号対雑音比（S/N比）を生成するために必要な値であり、受信機の入力ポートにおける平均雑音電力に、受信機の出力における最小必要信号対雑音比を乗じた値として定義される。

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

どこ

${\displaystyle S_{i}}$= 感度 [W]

${\displaystyle k}$=ボルツマン定数

${\displaystyle T_{a}}$=受信機の入力における、送信源（例：アンテナ）の等価雑音温度（K）

${\displaystyle T_{rx}}$受信機の入力に対する受信機の等価雑音温度（K）

${\displaystyle B}$= 帯域幅 [Hz]

${\displaystyle {\frac {S_{o}}{N_{o}}}}$= 出力における必要SNR [-]

同じ式は、受信機の雑音係数を用いて次のように表すこともできます。

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

どこ

${\displaystyle F}$=ノイズ係数

${\displaystyle N_{i}}$= 入力ノイズ電力

${\displaystyle SNR_{o}}$= 出力における必要SNR。

受信感度は、受信機が正常に受信できる入力信号の微弱度を示すため、電力レベルが低いほど良い。一定のS/N比において入力信号電力が低いほど、受信機のノイズへの寄与が小さくなるため、感度は向上する。電力がdBmで表される場合、負の数の絶対値が大きいほど、受信感度は向上する。例えば、-98 dBmの受信感度は、-95 dBmの受信感度よりも3 dB、つまり2倍優れている。言い換えれば、特定のデータレートにおいて、-98 dBmの感度を持つ受信機は、-95 dBmの受信感度を持つ受信機が受信する信号の半分の電力の信号を聞くことができる（または使用可能な音声、映像、データを抽出できる）。     

電子センサーの場合、入力信号は${\textstyle S_{i}}$位置、力、加速度、圧力、磁場など、多くの種類があります。電子アナログセンサーの出力信号は通常、電圧または電流信号です。${\textstyle S_{o}}$ノイズがない場合の理想的な線形センサの応答性は次のように定義されます。${\textstyle R=S_{o}/S_{i}}$一方、非線形センサーの場合は、局所的な傾斜として定義される。${\displaystyle \mathrm {d} S_{o}/\mathrm {d} S_{i}}$入力にノイズや信号がない場合、センサーは一定の固有出力ノイズを生成すると想定される。${\textstyle N_{oi}}$出力で指定された信号対雑音比を達成するため${\displaystyle SNR_{o}=S_{o}/N_{oi}}$これらの式を組み合わせると、感度に関する次の理想化された式が得られます^{[ 5 ]}${\displaystyle S}$これは入力信号の値に等しい。${\textstyle S_{i,SNR_{o}}}$指定された信号対雑音比が得られる${\displaystyle SNR_{o}}$出力では：

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

この式は、センサーの固有ノイズを低減することによってセンサーの感度を低下（＝向上）させることができることを示している。${\textstyle N_{oi}}$あるいは応答性を高めることによって${\textstyle R}$これは、感度が、指定された信号対雑音比を持つ指定された出力信号を生成するために必要な最小入力信号として定義されるケースの例です。^{[ 2 ]}この定義の利点は、最小検出可能SNR _oが指定されている場合（SNR ）、感度がセンサーの検出限界と密接に関連していることです。感度の定義で使用されるSNR _oの選択は、信号が確実に検出されるために必要な信頼度レベル（信頼度（統計））に依存し、通常は1～10の範囲にあります。感度は、帯域幅BWや積分時間τ=1/(2BW)などのパラメータに依存します（ここで説明されているように：NEP ）。これは、信号平均化によってノイズレベルを低減できるため、通常はノイズ振幅が低減されるためです。${\displaystyle N_{oi}\propto 1/{\sqrt {\tau }}}$どこ$\displaystyle \tau }$は、信号が平均化される積分時間です。帯域幅に依存しない感度の尺度は、ノイズや信号（${\displaystyle S_{i},S_{o},N_{oi}}$定義では、m/Hz ^1/2、N/Hz ^1/2、W/Hz、V/Hz ^1/2などの単位が用いられます。センサー帯域幅全体にわたる白色雑音信号の場合、そのパワースペクトル密度は、総雑音電力から決定できます。${\displaystyle N_{oi,\mathrm {tot} }}$（全帯域幅にわたって）以下の式を使用する${\displaystyle N_{oi,\mathrm {PSD} }=N_{oi,\mathrm {tot} }/BW}$その振幅スペクトル密度は、この値の平方根である。${\displaystyle N_{oi,\mathrm {ASD} }={\sqrt {N_{oi,\mathrm {PSD} }}}}$信号処理においては、エネルギーや電力という言葉はワット単位を持たない量にも使われることに注意してください（エネルギー（信号処理））。

スペクトラムアナライザなどの一部の計測器では​​、感度を定義する際に、1 Hz の特定の帯域幅でSNR _{o が1 であるとデフォルトで想定されています。} ^{[ 2 ]}光検出器も含む電力測定器の場合、感度はノイズ等価電力と等しくなり、その他の計測器の場合はノイズ等価入力と等しくなります。^{[ 9 ]}${\displaystyle NEI=N_{oi,ASD}/R}$感度の値が低いほど性能が良い（より小さな信号を検出できる）ということになりますが、これは感度が高いほど性能が良いという一般的な感度の用法とは矛盾しているように思われます。^{[ 6 ] [ 10 ]}そのため、検出器の性能の指標として、ノイズ等価入力の逆数である検出能を使用する方が望ましいと主張されています。^{[ 9 ] [ 11 ]}${\displaystyle D=R/N_{oi}}$。

例として、一定の電流が流れる圧電抵抗力センサを考えてみましょう。そのセンサは、${\displaystyle R=1.0~\mathrm {V} /\mathrm {N} }$抵抗器のジョンソン雑音は、雑音振幅スペクトル密度を生成する。${\displaystyle N_{oi,{\textrm {ASD}}}=10~\mathrm {nV} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$特定のSNR _oが1の場合、感度とノイズ等価入力は次のようになります。${\displaystyle S_{i,ASD}=NEI=10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$そして探偵の${\displaystyle (10~\mathrm {nN} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }})^{-1}}$つまり、10 nNの入力信号が、1 Hzの帯域幅にわたってノイズと同じ出力電圧を生成するようにする。

 この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 2022年1月22日にオリジナルからアーカイブされました。 （ MIL-STD-188に準拠）

• マイクロフォンの感度を1V/PaにおけるdB値からmV/Paの伝達係数に変換します。