电子设计常识——阻抗

电子设计常识——阻抗

1.阻抗的定义

​  阻抗的定义就是瞬时的电压除以电流，跟电阻的定义很像，区别就是阻抗中除了阻性外还有容性、感性。容性的本质就是以空间或电介质内的电场形式储存电能，感性的本质就是以空间或磁介质内的磁场储存电能。这两种情况都是存储电能，在其它时刻可以释放，而不是像阻性一样把电能转换为热能耗散掉。但容性与感性对电路中某一时刻的电压电流比值有很大影响，而阻抗的定义即综合了阻性、容性和感性的一个合成参数，阻抗与电阻具有相同的单位，都是Ω。

  由于阻抗的单位仍是欧姆，所以阻抗也同样适用欧姆定律，因此，在相同电压下，阻抗愈高将流过愈少的电流，阻抗愈低会流过愈多的电流。又因电容对直流电的阻抗无穷大，而电感对直流电的阻抗是零，因此，阻抗更多用于描述交流电路中对电流的阻碍作用，阻抗的表达式是复数（Complex）：

  复数的实部代表耗散电能的电阻(Resistance)，虚部代表储存电能的电抗(Reactance)。

  为什么用复数，用复数可以将一个参数的两部分分别处理，两个器件的耗散能力可以运算，储存能力可以运算，但耗散能力与储存能力却不可以直接运算。

  因为电抗（电容、电感）是可逆的电场磁场能量形式的转换，而根据电磁场理论，这个转换过程是与电场或磁场的变化率相关的，体现在信号上就是信号的频率。即阻抗中的电抗部分是与频率相关的，下面是电阻部分、电容部分、电感部分的阻抗表达式：

知识拓展：电阻

​   这里所说的电阻不是指电阻器件，而是描述一个器件或材料对流过其中的电流的阻碍作用，其本质是不可逆的将电能转换为其它形式的能量。比如电路中的电阻，电热毯的发热丝，都是将电能转为热能耗散出去。白炽灯将热能转换为热与光。这个过程的本质是在电压下运动的电子与材料原子碰撞并将能量传给原子，原子再以辐射或传导方式将能量耗散掉。
  
​   能量的转换也不只是“电子撞原子”这一种方式，比如电容的ESR（Equivalent Series Resistance）中就有一部分叫介质损耗，可以是电介质粒子在交变电场作用下不断翻转引起的电能到热能的转换。

2.特性阻抗

  又称“特征阻抗”，特性阻抗不是个基础概念，而是应用于传输线的概念。在高速应用场景，信号传输线已经不能看作理想导线，不能忽略传输线上的一些寄生参数，如寄生电阻、寄生电容、寄生电感。特性阻抗就是一个综合传输线场景下这些参数的合成参数。
  特性阻抗是射频传输线影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性，等于各处的电压与电流的比值，用V/I表示。在射频电路中，电阻、电容、电感都会阻碍交变电流的流动，合称阻抗。电阻是吸收电磁能量的，理想电容和电感不消耗电磁能量。阻抗合起来影响无线电波电压、电流的幅值和相位。同轴电缆的特性阻抗和导体内、外直径大小及导体间介质的介电常数有关，而与工作频率传输线所接的射频器件以及传输线长短无关。也就是说，射频传输线各处的电压和电流的比值是一定的，特征阻抗是不变的。

  无线通信系统射频器件有两种特性阻抗，一种是50Ω用于军用微波、GSM、WCDMA等系统；另一种是75Ω，用于有线电视系统，一般应用较少。

3.常见“阻抗”——扬声器

（1）.扬声器概述：

  扬声器是一种电能转换成声音的一种设备，当不同的电流传至线圈时，扬声器上的线圈激发出磁场，与永磁体的磁场相互作用，进而带动振膜振动，发出声音。

（2）.扬声器的阻抗特性：

  扬声器上标注的阻抗，单位为Ω。扬声器单元的阻抗通常用它的阻抗特性和额定阻抗来表示，但两者却是两个完全不同的概念。结合图片具体了解：

  如图一，阻抗在共振频率附近急剧上升，在高频部分随音圈电感增加而加大，扬声器单元的阻抗随信号频率而变化的规律称为扬声器单元的阻抗特性。在图一中，曲线的峰值是由振动系统共振造成的，而此曲线中部最小值是扬声器的额定阻抗，又称“标称阻抗”。

  扬声器阻抗实际上由三部分组成，如图二，a线表示音圈的直流阻抗，不随频率变化；b线表示电感部分，感抗随频率上升增加，和音圈的绕法，匝数有关；c线表示反电动式部分，音圈振动时产生一个反电动势，反电动势产生的电流与输入的电流方向相反，即阻抗增大。在共振频率时振动速度最大，反电动势最大,等于阻抗最大。

  我国国家标准GB9399-88《扬声器主要技术参数》中规定扬声器单元的额定阻抗值优选系列为：2、4、8、16和32Ω，目前国内和国际上大部分扬声器的额定阻抗值为4Ω或8Ω。

（3）.阻抗&使用：

  ①.当功放电路输出一个固定电压给喇叭时，依照欧姆定律，四欧姆的喇叭会比八欧姆的喇叭多流过一倍的电流，因此理论上，一个八欧姆输出一百瓦的晶体后级电路，在接上四欧姆喇叭时会自动变为二百瓦。但当喇叭的阻抗值一路下降时，后级输出一个固定电压，它流过的电流就会愈来愈大，到最后就相当于把喇叭线直接短路，导致后级输出电路过流“烧毁”。

  ②.在耳机的前端的推力足够的情况下，耳机的阻抗越高越好，阻抗高的耳机推开以后，音场更佳，适合做高音质设备，但需要大功率的功放进行输出，而大电流功放相对来说要更难设计。在台式机或功放、电视等设备上，常用到的是高阻抗耳机，有些专业耳机阻抗甚至会在200欧姆以上。

  ③.如果播放器是随身听的话，就要选择低阻耳机了，因为低阻抗耳机比较容易驱动，如果选择高阻耳机，即使将设备开到最大音量，声音也会很小，但如果阻抗太低，又会造成欠阻尼和低音劣化等现象。

4.参考资料

浅析扬声器|喇叭阻抗曲线

理解阻抗

百度百科-阻抗

百度百科-特性阻抗