阻抗测试基础（上）

一、阻抗测试基本概念

阻抗定义：

• 阻抗是元器件或电路对周期的交流信号的总的反作用。
• AC 交流测试信号 (幅度和频率)。
• 包括实部和虚部。

图1 阻抗的定义

阻抗是评测电路、元件以及制作元件材料的重要参数。那么什么是阻抗呢？让我们先来看一下阻抗的定义。

首先阻抗是一个矢量。

通常，阻抗是指器件或电路对流经它的给定频率的交流电流的抵抗能力。它用矢量平面上的复数表示。一个阻抗矢量包括实部（电阻R）和虚部（电抗X）。如图11-1所示，阻抗在直角坐标系中用Z=R+jX表示。那么在极坐标系中，阻抗可以用幅度和相角表示。直角坐标系中的实部和虚部可以通过数学换算成极坐标系中的幅度和相位。

其次，要记住阻抗的单位是欧姆。另外，要思考一下我们所熟知的电阻（R）、电感(L)和电容（C）分别对应由于复阻抗平面中的位置。

图2 阻抗的公式

什么是导纳呢？

导纳是阻抗的倒数，它也可以可以表述为实部（G电导）和虚部（电纳），其单位是西门子。

图3 导纳的公式

为什么要有阻抗和导纳两种表述方式呢？主要是为了非常简单的表述两种常用串连和并联连接方式。对于电阻和电抗串联连接时，采用阻抗的表述非常简单易用。但是对于电阻和电抗并联连接时，阻抗的表述非常复杂，这时候，采用导纳就非常简单易用了。

图4 阻抗和导纳的关系

阻抗同电感L和电容C的关系：

   

电抗有两种形式——感抗(XL)和容抗(XC)。电感对应的是感抗，电容对应的是容抗。对于理想的电感和电容，它们分别和感抗、容抗之间满足正比和反比的关系。

按照定义，

XL=2pfL=wL

                        

XC= 1/2pfC=1/wC  

f是交流信号的频率， L 是电感，C是电容。电感的单位时亨，电容的单位是法。

   

w为角速度， w= 2pf。

图5 阻抗同电容/电感的关系

如果将电感的阻抗Vs频率图也画在同一个阻抗图中，不难发现，电感的阻抗随频率增加而增加，电容的阻抗随频率的增加而减小。即便是理想的电感或电容，它们的阻抗也随入射交流信号的频率不同而改变。

品质因子Q和损耗因子 D：

   

品质因子Q是衡量电抗（同时也是电纳）纯度的指标。换句话说，品质因子Q是表明器件接近纯电抗的程度，品质因子越大，说明电抗的绝对值越大，反过来说，也就是说明器件的电阻越小。

   

实际上，器件阻抗中的实数部分，即电阻的大小表明能量在经过器件传输后，能量的损耗大小。因此，从上面的公式中可以看到，品质因子表明器件能量的损耗程度。

   

品质因数(Q)是电抗纯度的度量(即与纯电抗，也就是与没有电阻的接近程度)，定义为元件中存储能量与该元件损耗能量之比。

   

Q是无量纲单位，表达式为Q=X/R=B/G。您可从图6看到Q是q角的正切。

   

Q一般适用于电感器，对于电容器来说，表示纯度的这一项通常用耗散因素(D)表示。耗散因素是Q的倒数，它也是q补角的正切，图6中示出了d角。

 

 

图6 品质因子和损耗因子

实际电容模型：

   

让我们来仔细研究真实的电容器件。首先我们要清楚，不同的材料和制造技术会造成不同大小的寄生参数。器件的引线会产生不希望的串联电阻和电感，器件的两端会存在寄生的并联电阻和寄生电容。以致影响到元件的可使用性，以及所能确定电阻、电容或电感量值的准确程度。

   

一个真实世界的元件包含许多寄生参数。作为元件主要参数和寄生参数的组合，如上图所示，一个元件就好比是一个复杂的电路。

 

 

图7 实际的电容模型

   

为什么要测试阻抗?

   

元件的阻抗受很多因素影响

• 频率
• 测试信号
• 直流偏置
• 温度
• 其他

由于存在寄生参数，因此频率对所有实际元件都有影响。并非所有的寄生参数都会影响测量结果，但正是某些主要的寄生参数确定了元件的频率特性。当主要元件的阻抗值不同时，主要的寄生参数也会有所不同。图8至图10示出实际的电阻器、电感器和电容器的典型频率响应。

图8 频率对电阻阻抗的影响

图9 频率对电感阻抗的影响

图10 频率对电容阻抗的影响

交流信号电平的影响（电容）：

   

与交流电压有关的SMD 电容（具有不同的介电常数, K）