三個阻抗概念:電阻,阻抗,特性阻抗是什么

本文主要理清三個阻抗概念：電阻、阻抗、特性阻抗。

電阻（Resistance)

這里所說的電阻不一定是指電阻器件，而是描述一個器件或材料對流過其中的電流的阻礙作用，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，電熱毯的發(fā)熱絲，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。這個過程的本質(zhì)是在電壓下運(yùn)動的電子與材料原子碰撞并將能量傳給原子，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，比如電容的ESR（Equivalent Series Resistance）中就有一部分叫介質(zhì)損耗，可以是電介質(zhì)粒子在交變電場作用下不斷翻轉(zhuǎn)引起的電能到熱能的轉(zhuǎn)換。

阻抗（Impedance)

阻抗是一個基礎(chǔ)概念，他可以簡化為電阻，也可以推出特性阻抗。阻抗的定義就是瞬時的電壓除以電流，跟電阻的定義很像，區(qū)別就是阻抗中除了阻性外還有容性、感性。

容性的本質(zhì)就是以空間或電介質(zhì)內(nèi)的電場形式儲存電能。感性的本質(zhì)就是以空間或磁介質(zhì)內(nèi)的磁場儲存電能。這兩種情況都是存儲電能，在其它時刻可以釋放，而不是像阻性一樣把電能轉(zhuǎn)換為熱能耗散掉。但容性與感性對電路中某一時刻的電壓電流比值有很大影響。而阻抗的定義即綜合了阻性、容性和感性的一個合成參數(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)，虛部代表儲存電能的電抗(Reactance)。

為什么用復(fù)數(shù)，用復(fù)數(shù)可以將一個參數(shù)的兩部分分別處理，兩個器件的耗散能力可以運(yùn)算，儲存能力可以運(yùn)算，但耗散能力與儲存能力卻不可以直接運(yùn)算。

因?yàn)殡娍梗娙荨㈦姼校┦强赡娴碾妶龃艌瞿芰啃问降霓D(zhuǎn)換，而根據(jù)電磁場理論，這個轉(zhuǎn)換過程是與電場或磁場的變化率相關(guān)的，體現(xiàn)在信號上就是信號的頻率。即阻抗中的電抗部分是與頻率相關(guān)的，下面是電阻部分、電容部分、電感部分的阻抗表達(dá)式：

特性阻抗（Characteristic Impedance）

特性阻抗不是個基礎(chǔ)概念，而是應(yīng)用于傳輸線的概念。在高速應(yīng)用場景，信號傳輸線已經(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)，如寄生電阻、寄生電容、寄生電感。特性阻抗就是一個綜合傳輸線場景下這些參數(shù)的合成參數(shù)。

單位長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與頻率相關(guān)的量。而在實(shí)際應(yīng)用中，傳輸線的電阻部分，即耗散能量的部分往往可以忽略不計，即上式中的R和G為0。近似為無損傳輸線。對于無損傳輸線，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，同軸線阻抗50ohm或75ohm所說的阻抗。這個阻抗在不精確的要求下，是與頻率不相關(guān)的。

總結(jié)

阻抗是基礎(chǔ)概念，描述的是一個電路或器件，加上特定的電壓，電流會是什么樣子。阻抗包含阻性、容性與感性。阻性描述耗散電能，容性與感性描述儲存電能。阻抗與頻率相關(guān)。

電阻是阻抗在電抗部分為0時的特例。電阻與頻率無關(guān)。

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

編輯：黃飛