電阻-阻抗-特性阻抗知識

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，其本質是不可逆的將電能轉換為其它形式的能量。

比如電路中的電阻，電熱毯的發熱絲，都是將電能轉為熱能耗散出去。白熾燈將熱能轉換為熱與光。這個過程的本質是在電壓下運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方式將能量耗散掉。

能量的轉換也不只是“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損耗，可以是電介質粒子在交變電場作用下不斷翻轉引起的電能到熱能的轉換。

阻抗（Impedance)

阻抗是一個基礎概念，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，區別就是阻抗中除了阻性外還有容性、感性。

容性的本質就是以空間或電介質內的電場形式儲存電能。感性的本質就是以空間或磁介質內的磁場儲存電能。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。

阻抗的表達式是復數（Complex）：

復數的實部代表耗散電能的電阻(Resistance)，虛部代表儲存電能的電抗(Reactance)。

為什么用復數，電阻代表對信號幅值的衰減，電抗代表對信號相位的改變。

因為電抗（電容、電感）是可逆的電場磁場能量形式的轉換，而根據電磁場理論，這個轉換過程是與電場或磁場的變化率相關的，體現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的，下面是電阻部分、電容部分、電感部分的阻抗表達式：

特性阻抗（Characteristic Impedance）

特性阻抗不是個基礎概念，而是應用于傳輸線的概念。在高速應用場景，信號傳輸線已經不能看作理想導線，不能忽略傳輸線上的一些寄生參數，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的合成參數。

單位長度的傳輸線可以等效為以下模型：

該模型的阻抗表達式為：

理論上精確的特性阻抗是一個與頻率相關的量。而在實際應用中，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，是與頻率不相關的。

總結

阻抗是基礎概念，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。

電阻是阻抗在電抗部分為0時的特例。電阻與頻率無關。

特性阻抗是描述傳輸線的單位長度阻抗的參數，對于無損傳輸線，阻抗與頻率無關。

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