理解阻抗

本文主要理清三個(gè)阻抗概念:電阻屋剑、阻抗迄薄、特性阻抗沽瘦。


電阻(Resistance)

這里所說的電阻不一定是指電阻器件然痊,而是描述一個(gè)器件或材料對(duì)流過其中的電流的阻礙作用至朗,其本質(zhì)是不可逆的將電能轉(zhuǎn)換為其它形式的能量。

比如電路中的電阻剧浸,電熱毯的發(fā)熱絲锹引,都是將電能轉(zhuǎn)為熱能耗散出去。白熾燈將熱能轉(zhuǎn)換為熱與光唆香。這個(gè)過程的本質(zhì)是在電壓下運(yùn)動(dòng)的電子與材料原子碰撞并將能量傳給原子嫌变,原子再以輻射或傳導(dǎo)方式將能量耗散掉。

能量的轉(zhuǎn)換也不只是“電子撞原子”這一種方式躬它,比如電容的ESR(Equivalent Series Resistance)中就有一部分叫介質(zhì)損耗腾啥,可以是電介質(zhì)粒子在交變電場(chǎng)作用下不斷翻轉(zhuǎn)引起的電能到熱能的轉(zhuǎn)換。

阻抗(Impedance)

阻抗是一個(gè)基礎(chǔ)概念冯吓,他可以簡(jiǎn)化為電阻倘待,也可以推出特性阻抗。阻抗的定義就是瞬時(shí)的電壓除以電流组贺,跟電阻的定義很像凸舵,區(qū)別就是阻抗中除了阻性外還有容性、感性失尖。

容性的本質(zhì)就是以空間或電介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)形式儲(chǔ)存電能啊奄。感性的本質(zhì)就是以空間或磁介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)儲(chǔ)存電能。這兩種情況都是存儲(chǔ)電能掀潮,在其它時(shí)刻可以釋放菇夸,而不是像阻性一樣把電能轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉。但容性與感性對(duì)電路中某一時(shí)刻的電壓電流比值有很大影響胧辽。而阻抗的定義即綜合了阻性峻仇、容性和感性的一個(gè)合成參數(shù)。

阻抗的表達(dá)式是復(fù)數(shù)(Complex):

from wikipedia

復(fù)數(shù)的實(shí)部代表耗散電能的電阻(Resistance)邑商,虛部代表儲(chǔ)存電能的電抗(Reactance)摄咆。

為什么用復(fù)數(shù),用復(fù)數(shù)可以將一個(gè)參數(shù)的兩部分分別處理人断,兩個(gè)器件的耗散能力可以運(yùn)算吭从,儲(chǔ)存能力可以運(yùn)算,但耗散能力與儲(chǔ)存能力卻不可以直接運(yùn)算恶迈。

因?yàn)殡娍梗娙萆稹㈦姼校┦强赡娴碾妶?chǎng)磁場(chǎng)能量形式的轉(zhuǎn)換谱醇,而根據(jù)電磁場(chǎng)理論,這個(gè)轉(zhuǎn)換過程是與電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化率相關(guān)的步做,體現(xiàn)在信號(hào)上就是信號(hào)的頻率副渴。即阻抗中的電抗部分是與頻率相關(guān)的,下面是電阻部分全度、電容部分煮剧、電感部分的阻抗表達(dá)式:


特性阻抗(Characteristic Impedance)

特性阻抗不是個(gè)基礎(chǔ)概念,而是應(yīng)用于傳輸線的概念将鸵。在高速應(yīng)用場(chǎng)景勉盅,信號(hào)傳輸線已經(jīng)不能看作理想導(dǎo)線,不能忽略傳輸線上的一些寄生參數(shù)顶掉,如寄生電阻草娜、寄生電容、寄生電感痒筒。特性阻抗就是一個(gè)綜合傳輸線場(chǎng)景下這些參數(shù)的合成參數(shù)宰闰。

單位長(zhǎng)度的傳輸線可以等效為以下模型:

該模型的阻抗表達(dá)式為:

理論上精確的特性阻抗是一個(gè)與頻率相關(guān)的量。而在實(shí)際應(yīng)用中凸克,傳輸線的電阻部分议蟆,即耗散能量的部分往往可以忽略不計(jì)闷沥,即上式中的R和G為0萎战。近似為無損傳輸線。對(duì)于無損傳輸線舆逃,阻抗表達(dá)式可以表示為:

這也就是我們常說的PCB走線控制50ohm蚂维,同軸線阻抗50ohm或75ohm所說的阻抗。這個(gè)阻抗在不精確的要求下路狮,是與頻率不相關(guān)的虫啥。

總結(jié)

阻抗是基礎(chǔ)概念,描述的是一個(gè)電路或器件奄妨,加上特定的電壓涂籽,電流會(huì)是什么樣子。阻抗包含阻性砸抛、容性與感性评雌。阻性描述耗散電能,容性與感性描述儲(chǔ)存電能直焙。阻抗與頻率相關(guān)景东。

電阻是阻抗在電抗部分為0時(shí)的特例。電阻與頻率無關(guān)奔誓。

特性阻抗是描述傳輸線的單位長(zhǎng)度阻抗的參數(shù)斤吐,對(duì)于無損傳輸線,阻抗與頻率無關(guān)。

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