一文了解阻抗

周三, 20 三月 2019 - 13:46

作者：Digi-Key工程师 Kaleb Kohlhase

本文简要说明了阻抗的概念。阻抗就是阻力和电抗的结合。简而言之，阻抗可以理解为交流电路中的无源元件减少或阻碍电流的程度。这同样适用于高频无线电应用或高频数字电路应用，因为所有这些应用都具有共同之处，即，它们在任何周期性波形中都具有某种形式的电压变化。（注意：这并非仅局限于正弦波。）一些直流波形可以通过稳定的直流输入进行操作，其中包括方波、锯齿波、三角波和其他脉冲模式。

阻抗和电阻之间的主要区别在于电路工作频率。直流应用的输入和/或输出往往没有频率（暂时忽略时钟产生和其他振荡设计）。电路达人应熟悉电阻、电容、电感两端的电压、电流和功率的一般等式。在直流电路中用这些微积分表达式求解等式已经很难了。以下是电容上电压和电流的等式：

以下是电感器上电压和电流的等式：

由于目前输入电压随时间变化（电流也是如此），所以使用相同的等式在交流电中求解等式就变得更加困难。幸运的是，继傅立叶变换之后业界又发现了一个省时捷径。该方法将电感和电容的复杂等式转换为虚数（复数），因而可使用相同的基本直流分析技术（欧姆定律和直流分析中的其他方法）来求解电路。以下是通过转换到频域得出的适用等式：

1. 电阻

其中：

Rn等于一个以欧姆为单位的电阻N的电阻值。

注意：采用 MLCC 设计的现代器件具有更高的工作频率，但仍有许多零件的频率在 1 至 3 兆赫的范围内。在较低频率（通常将低于1至3兆赫视为低频）下，电阻（Zr）的阻抗就等于电阻值。以下电容不变且电感不变的低频零件也是如此。

2. 电容

其中：

<img alt="频率" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c52c4fb9-92ac-49cb-8412-d07ee3901d81" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5_21.png" /> 
ω=2∗π∗f；f=频率(Hz)

Cn是一个以法拉为单位的电容N的电容值。

因为电流通常用字母“i”表示，所以引用字母“j”是电路分析中的惯例，从而避免引起混淆。此外，分析中的另一个惯例是使用弧度和角频率，而不是使用线性频率和度数。

3. 电感器

其中：

ω=2∗π∗f；f=频率(Hz)

Ln等于以亨利为单位的电感器N的电感值。

在进行任何分析之前，必须转换交流电路中的每一项。阻抗的测量单位也是欧姆，并且当说或者写测量值时，通常省略 “j”/ 复数部分。以下是阻抗计算示例：

对于电感值为50微亨利（50µH），且电压源/电流源的频率为1000赫兹（1kHz）的电感器，其阻抗的计算方式如下：

欧姆测量值通常在“j”之后得出。当在报告中说出或写出j时，通常会将j删除，以免造成混淆。所以，此特定电感在1kHz频率下的阻抗是314毫欧。“j”只有在电路分析中使用时才重要，因为虚部决定了周期波的相移。相关分析主题可根据要求做进一步讨论。

请注意，大部分规格书所列出的阻抗都是关于整体输入/输出阻抗，而不会列出电路或设计中的所有阻抗值。除了专门讨论阻抗之外，这与直流电路中的总电阻或有效电阻都具有相同的概念。

确定脉冲直流信号等特殊应用的阻抗比我所述的知识更复杂，但总的来说，同样的理念仍然适用。现代设备可随处通过这些类型的信号以几兆赫到几千兆赫的频率运行。由于这些频率水平可能会引起不同组件混用方面的主要设计问题，所以仍然需要考虑阻抗。设计可具体到选择合适的电缆，从而确保PCB走线不要太靠近，且必须考虑电容、电感和电阻的正确值及其工作频率，接地层必须采用特殊设计，屏蔽必须采用特定材料来减少EMI辐射，并满足除此以外的更多要求。

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