你是否經常聽到試驗電路板（麵包板）由於雜散電容值而在高頻下不可靠甚至無法使用的說法？或許你聽過太多次，卻鮮少有證據支持這種說法。本文指出，試驗電路板相鄰五端子之間的電容應在 2 到 5pF 之間。這會將試驗電路板的最高工作頻率限制在 100kHz 到 1MHz 之間。本文透過直接測量和間接方法驗證了這個結論。間接方法將試驗電路板中的電容值作為振盪器的一個組成部分，如圖 1 所示。此振盪器表明，試驗電路板電容值並不大。事實上，利用試驗電路板電容值來建造振盪器比想像中困難得多。
圖 1：圖片顯示使用相鄰試驗電路板部分形成七個平行板的電容器 C1、C2 和 C3。
試驗電路板的電容值有多少？
簡短的經驗答案是，試驗電路板的每個相鄰 5 端子連接之間大約有 2pF 電容。這可以使用 Digilent Analog Discovery 等儀器和相關阻抗模組直接測量，如圖 2 所示。
測量步驟
在本實驗中，透過連接相鄰的試驗電路板元件組成一個平行板電容器。圖 2 顯示了由此產生的七平行板電容器。圖 2 的放大圖以黃紅相間的色塊標示了電容器的各個元件。圖 2 中也可以看到一個與電容器並聯的 1Mohm 電阻。此電阻提供了一個固定的電阻值，用於比較電容的容抗。
圖 2：使用 Digilent Analog Discovery 透過阻抗分析儀模組測量七平行板電容器的電容。
技術提示：如何測量一張紙的厚度？通常的解決方法是測量多張紙，而不是一張。例如，測量 100 張紙，然後進行除法運算，即可得出平均紙張厚度，這相對容易。
本文將採用這種多點測量而非單點測量的概念來測量相鄰試驗電路板單元的電容。我們不測量一小段電路，而是測量多個並聯運作的電路單元，然後進行除法運算。我們相信，這種方法能夠將測量點轉移到更適合我們測量設備的位置，從而提高測量結果的準確性。
測量結果如圖 3 所示。在本次頻率掃描中，電阻值在 20kHz 以下的所有音頻頻率範圍內均表現為常數。請注意，在 1MHz 附近存在一些偏差。這種高頻段的偏差可能是由測量設備造成的，因為當阻抗主要由電容決定時，測量電阻會變得越來越困難。
關於圖 3，請注意，容抗如預期般線性下降，符合以下熟悉的公式：
X_C = \dfrac{1}{2 \pi fC }
在頻率響應曲線的起始階段，七平行板電容器的電抗在 Gohm 量級，到曲線末端則降至 kohm 量級。作為參考點，電阻和電抗在 7kHz 左右相等。
1 \ M \Omega = \dfrac{1}{2 * \pi * 7 k * C}
由此可知 C_{7-plate} \approx 23 \ pF
此時，我們可以將七板電容器的測量結果轉換為試驗電路板單一平行部分的電容。從圖 2 中，我們看到我們的七板電容器由 12 個相鄰的試驗電路板部分組成。此過程顯示每部分試驗電路板電容約為 2 pF。
請將此 2 pF 測量值作為一般（大致）建議，因為它沒有考慮試驗電路板周圍的物品。例如，手部電容存在時測量會改變。
技術提示：手部電容是指人手的存在對射頻測量的意外影響。在許多情況下，當您的手靠近電路時，電路可能會發生失諧。使用金屬屏蔽層可以緩解這個問題。此外，對於需要調諧的電路，使用長柄微調工具可以使調諧過程更加便利。
圖3：七極板電容器並聯電阻和阻抗的分析儀視圖。在 7kHz 頻率下，電阻和容抗值均為 1Mohm。
使用試驗電路板上的電容器建構振盪器
圖 1 顯示了原型移相振盪器，其原理圖如圖 4 所示，振盪器的輸出如圖 5 所示。請記住，電路振盪必須滿足兩個基本條件：
- 必須有正向回授
- 增益必須大於 1
此振盪器的正回授源自於三個 RC 迴路產生的相移，其中第三個 RC 迴路與運算放大器的虛地相連。每一級提供 60 度的相移。增益由負回授電阻 R1 設定。
圖 4：移相振盪器原理圖。電容器 C1、C2 和 C3 由相鄰試驗電路板上的走線構成，構成七平行板電容器。
圖 5：顯示振盪器效能的示波器螢幕截圖。
技術提示：距離公共廣播揚聲器太近的麥克風發出的尖叫聲是一種振盪形式。當來自揚聲器的能量耦合回揚聲器時，就滿足了振蕩的兩個條件。請注意，振盪發生在由電子設備和房間的獨特聲學特徵決定的一個頻率。就像酒杯的歌聲一樣，系統在這個特殊的頻率上產生共鳴。
與此相移振盪器相關的經典方程式為：
f =\dfrac{1}{2 \pi R C \sqrt(6)}
及
\dfrac{R_1}{R_4} = 29
利用振盪器技術驗證試驗電路板電容
已知電阻值和從圖 5 得出的輸出頻率，我們可以計算電容值。
23 \ kHz =\dfrac{1}{2 * \pi * 47k * C * \sqrt(6) }
由此可知，計算出的電容約為 60pF。
需要注意的是，此整體電容是由試驗電路板上 12 個相鄰的 5 端子單元組成的。本實驗表明，每個相鄰的試驗電路板單元的電容為 5pF。再次強調，請謹慎看待這些測量結果。
振盪器的局限性
在結束之前，我們必須指出，這不是一個理想的振盪器。它的失真度很高，啟動非常困難，如圖 5 失真的波形所示。需要注意的是，該設計主要依賴試驗電路板上的微型電容。由此產生的頻率以及所選的電阻值都過高，令人不適。最好將電容值增加一個數量級，但試驗電路板空間有限，無法做到這一點。儘管存在這些問題，該電路仍然具有價值。它表明，在音頻頻率下，試驗電路板電容非常小。我們也費了很大力氣才讓這些微小的電容發揮出應有的作用。
兩種電容測量方法的差異
關於兩種電容測量方法的差異，振盪器法被認為是一種較不可靠的方法。正如我們所提到的，它並非一種理想的振盪器，其結果似乎偏離了理想方程，例如所需的 R1 值。電路可能受到長導線電感的影響。此外，運算放大器的輸入電阻也可能不理想，尤其是在考慮到運算放大器輸入電阻與過大的 1.8Mohm 回授電阻之間存在較大偏差的情況下。
結論
本文介紹了兩種測量試驗電路板電容的方法。兩種方法均表明，試驗電路板任意五端之間的電容值在 2 到 5pF 之間。相對於典型元件的電抗，這種電容在音頻電路中幾乎可以忽略不計。然而，在高頻下，這種電容可能會造成問題。因此，試驗電路板的頻率上限為 100kHz 到 1MHz。
許多人聲稱試驗電路板電容會對他們的設計產生負面影響。這或許不假。然而，在我看來，在電容出現問題之前，試驗電路板還存在著其他一些「小毛病」。您可以閱讀這篇文章以了解更多訊息，它建議對試驗電路板電流設定一個硬性限制；或者閱讀這篇文章，它探討了電源去耦。
試驗電路板最大的挑戰或許在於原型製作本身的實驗性。並非所有想法都能成功。許多想法最終都無果。有些甚至會在試驗電路板上冒煙熄滅。然而，這些都是寶貴的經驗，可以指導未來的設計。