R课堂|什么是阻抗？与电阻和电抗的区别详解（上）

◼ 阻抗概述

阻抗既包括在输出电压的电路中的输出阻抗，也包括在输入电压的电路中的输入阻抗。阻抗值可以通过电压和电流之比求得。由于阻抗的计算方法因电路结构而异，因此，针对想要求得的阻抗值，需要注意计算方法是否适当。阻抗是交流电路中电压与电流的比值，最初是源自电路学的术语，另外还适用于与音频有关的声、光、电磁波等，有声阻抗、光阻、（电磁）波阻抗等各种阻抗。

◼ 阻抗、电阻和电抗之间的关系

当提到“电流流动时受到的阻碍程度”时，很多人可能会将其与电阻联系起来。那么，阻抗和电阻之间究竟有什么区别呢？

电阻是阻抗的组成要素之一。电阻的特点是其值只考虑电阻器，而且其值不会随频率的变化而变化。而受频率影响的被称为“电抗”，电抗包括“容抗”和“感抗”两种。电抗的符号为“X”、单位为“Ω”。电抗与电阻的组合就是阻抗。可见，阻抗不仅包括单纯的电阻，还包括依赖于频率的电感（线圈特性）和电容（电容器特性）产生的电抗。

◼ 阻抗的重要性

了解阻抗为什么如此重要，对于有效设计电路和故障排除而言至关重要。适当的阻抗匹配可以更大程度地抑制信号反射，并有助于优化功率传输。

◼ 阻抗单位

阻抗由电路中电阻和电抗组成，其单位用欧姆（Ω）表示。电阻表示直流电路中对电流流动的阻碍作用，而阻抗则表示交流电路中的总电阻。

◼ 阻抗符号

阻抗通常用大写的“Z”来表示。在数学上，阻抗通过复数表示，实部表示电阻（R），虚部表示电抗（X）。其表达式如下：

◼ 阻抗的复数表示

由于阻抗是以复数的形式表示的，所以具有幅值和相位角。幅值与电阻有关，相位角则与电抗有关。通过以极坐标的形式表示复数，有助于理解这些信息。

这里的∣Z∣表示阻抗的幅值（阻抗模），θ表示相位角。

◼ 阻抗和电抗之间的区别

下面介绍对于理解阻抗而言很重要的“电抗”。希望大家能够通过介绍了解阻抗与电抗之间的区别和关系。

◼ 什么是电抗

电抗是交流电路中阻碍电流流动的因素，会受到频率的影响。电抗包括容抗和感抗两种。电抗的符号为“X”，单位为“Ω”。

◼ 容抗

容抗是电容器（Capacitor）对电流的阻力。电容器是用来蓄电和放电的电子元件，被广泛应用于智能手机、电脑和电视等各种电子设备。电抗的符号为“X”，容抗用符号“XC”来表示，单位与电抗一样，也是“Ω”。容抗由以下公式表示：

ω为角频率，用来表示，代入后得到如下公式：

f表示信号的频率，C表示电容器的容量。从公式可以看出，容抗具有其值随频率的增加而减小的特点。

◼ 感抗

感抗是线圈（电感器）对电流的阻力。线圈是作用于电和磁的电子元件，与电阻器和电容器等元件同样被广泛用于各种电子设备。感抗的符号为“X_L”，单位为“Ω”。感抗由下列公式表示：

与容抗一样，当代入角频率后，公式会变为：

L是线圈的电感值。与容抗相反，感抗具有其值随频率的提高而增加的特点。

◼ 阻抗与电抗之间的关系

正如在电阻部分所介绍的，阻抗是电阻和电抗的组合。请记住：电抗是阻抗的组成要素之一。由于电抗又分为容抗和感抗，所以也可以说阻抗由电阻、容抗和感抗这三部分组成。

RLC串联电路是电阻（R）、电感（L）和电容（C）串联形成的电路。该电路的阻抗（Z）由这些元素组成，并随频率的变化而变化。阻抗的基本公式-RLC串联电路的阻抗由下列公式表示：

其中j是虚数单位，ω是角频率。该公式由电阻分量和电抗分量组成，随频率的变化而变化。

◼ 与角频率的关系

角频率通常用乘以2π的值来表示。即ω=2πf ，其中f是频率。

◼ 谐振条件

在RLC串联电路中，当电抗相互抵消时会发生谐振。也就是当ωL=1/ωC时发生谐振。

◼ 阻抗的复数表示

RLC串联电路的阻抗用复数来表示，用极坐标形式表示如下：

其中θ是相位角。

RLC并联形成的阻抗（Z）表示由电阻（R）、电感（L）和电容（C）组成的电路的复阻抗。如果要求出并联电路的总阻抗，就需要取每个组件的阻抗的倒数，将它们相加，然后求出该总和的倒数：

为了将它们构成复数，需要使用公分母RωL：

各电路元素（电阻、电感、电容）的阻抗特性对于理解电流和电压等信号在通过电路时如何受到影响来说是非常重要的。

◼ 电阻的阻抗

电阻（R）的阻抗与频率无关。阻抗（Z_R）是指单纯的电阻值本身。

◼ 电感的阻抗

◼ 电容的阻抗

◼ 阻抗的相位角

◼ 各电路元素的总阻抗

◼ 电流与电压的相位差

在RLC串联电路中，电阻（R）、电感（L）和电容（C）的阻抗均用复数表示，导致电流（I）和电压（V）之间产生相位差。该相位差因各元素的阻抗的相对大小而异。

◼ 阻抗与电流的相位差

◼ 交流电路中的电压和电流

阻抗匹配是一种通过适当调整电路和系统中各元素的阻抗来提高信号传输和能量传输效率的技术。阻抗匹配，可以更大程度地抑制信号反射和丢失，优化系统性能。

◼ 阻抗匹配的基础知识

当Z_in＝Z_out时，P_in最大。

◼ 阻抗匹配的优点

输入阻抗和输出阻抗是指信号进入和离开电路时的阻抗，它们之间的区别在于输入阻抗表示信号源侧的性质，输出阻抗表示负载侧的性质。当输入阻抗不适合信号源时，部分信号就会被反射，从而造成传输信号丢失。同样，当输出阻抗不适合负载时，也会发生同样的问题。

◼ 输入阻抗

输入阻抗是指电路或设备输入侧的阻抗。该阻抗是接收信号源信号的电路侧或设备的电阻、电抗和电感之和。

当输入阻抗设计得当并与信号源的输出阻抗相匹配时，来自信号源的信号将以最大效率被传输至输入电路。适当的输入阻抗可以将信号丢失降至最低，并高效地传输来自信号源的信号。输入阻抗匹配示例：音频放大器的输入阻抗需要与音频源（CD播放器或麦克风等）的输出阻抗相匹配。

◼ 输出阻抗

输出阻抗是指电路或设备输出侧的阻抗。该阻抗是电路或设备向外部提供信号时的电阻、电抗和电感之和。当输出阻抗设计得当并与负载的输入阻抗相匹配时，信号将以最大效率被传输至外部。适当的输出阻抗可将信号反射降至最低，防止信号丢失。当输出阻抗与负载不匹配时，可能会发生信号反射并造成信号丢失。输出阻抗匹配示例：扬声器的输出阻抗需要与放大器的输入阻抗相匹配。