例如失調(diào)和輸入偏置漂移、增益誤差、溫度系數(shù)、電壓額定值、功耗、電路板泄露，以及其他分立器件(如ESD使用的器件和過壓保護(hù)器件)的固有泄露。再例如，在高源阻抗與某放大器輸入端串聯(lián)時(shí)，無用的漏電流(非放大器本身的偏置電流)會(huì)產(chǎn)生失調(diào)，進(jìn)而引起偏置電流測(cè)量誤差(圖1)。
圖1 偏置電流和漏電流如何產(chǎn)生失調(diào)誤差
在所有情況下，高溫工作都會(huì)加重由焊劑、灰塵和冷凝等污染引起的電路板泄露。合理的布局有助于最大程度地減少上述影響，具體做法是在敏感節(jié)點(diǎn)之間提供足夠的空間，例如將放大器輸入和含噪聲的供電軌分離。
運(yùn)算放大器和儀表放大器的標(biāo)準(zhǔn)引腳排列方法是將其中一個(gè)輸入端放置在負(fù)電源端附近。這種做法會(huì)大大降低對(duì)PCB裝配后焊劑殘留的耐受能力，這些焊劑殘留會(huì)增加泄露。為了減少泄露，增加高頻CMRR，高溫器件AD8229采用了與ADI其他精密儀表放大器相同的高性能引腳排列(圖2)。
圖2 器件引腳排列改進(jìn)有助于將寄生泄露降至最低
二極管、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和其他半導(dǎo)體器件的泄露都會(huì)隨著溫度升高成指數(shù)遞增，而且許多情況下都比放大器的輸入偏置電流高出很多個(gè)數(shù)量級(jí)。在這些情況下，你必須確保極端溫度下的泄露不會(huì)降低電路規(guī)格，使其超出所需限制。
如今，有多種無源器件可供高溫工作環(huán)境使用。電阻和電容在各種電路設(shè)計(jì)中十分常見。表1列出了市場(chǎng)上現(xiàn)有的一些器件。
Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors
表面貼裝器件如果靠著PCB，引腳間就很容易產(chǎn)生泄露，因?yàn)楹竸埩粼谘b配結(jié)束后還會(huì)留在電路板底部。這些焊劑殘留會(huì)吸濕，從而增加高溫時(shí)的傳導(dǎo)率。此時(shí)，表面貼裝器件中會(huì)出現(xiàn)寄生電阻(特性很難預(yù)測(cè))，可能會(huì)引起其他的電路誤差。要解決這一問題，可以考慮選用尺寸較大的芯片、鷗翼引腳，或在特別敏感的電路區(qū)域采用通孔器件。最后，在裝配過程結(jié)束前再增加一道有效的電路板清洗環(huán)節(jié)(通常采用超聲或皂化劑)，無用的殘留幾乎就能全部清除。
你在設(shè)計(jì)惡劣環(huán)境下工作的系統(tǒng)時(shí)，必須謹(jǐn)記熱管理要求。即使在用到高溫專用器件時(shí)，也應(yīng)考慮與其功耗相關(guān)的自熱效應(yīng)。例如，AD8229的保證工作溫度高達(dá)210℃，相當(dāng)于一個(gè)小輸出電流負(fù)載。由驅(qū)動(dòng)高負(fù)載或永久故障條件（如輸出短路）造成的額外功耗會(huì)增加結(jié)溫，使其超過器件的最大額定值，大大降低放大器的工作壽命。請(qǐng)務(wù)必遵循推薦的散熱指南，并且注意電源調(diào)節(jié)器等鄰近熱源。
即使是高溫電阻，70°C以上時(shí)額定功率也會(huì)降低。應(yīng)特別注意目標(biāo)工作溫度時(shí)的電阻溫度額定值，尤其是在功耗相當(dāng)大的情況下。例如，假設(shè)額定值為200°C的電阻在190°C的環(huán)境溫度下工作，如果其因功耗產(chǎn)生的自熱為20°C，那么還是超過了額定值。
雖然許多無源器件可以承受高溫，但其結(jié)構(gòu)可能并不適合長期處于沖擊振動(dòng)和高溫兼具的環(huán)境。此外，高溫電阻和電容制造商也明確規(guī)定了其在給定溫度下的工作壽命。使所有器件的工作壽命規(guī)格保持匹配對(duì)建立高度可靠的系統(tǒng)至關(guān)重要。最后，不要忘了，許多額定值達(dá)到高溫的器件可能需要降低額定值，以保持長久工作。
【案例研究】繪制烤箱中的熱梯度
AD8229和ADXL206（雙軸加速度計(jì)）在輕便安全的高溫環(huán)境下工作，可作為高溫應(yīng)用中兩種適當(dāng)?shù)钠骷M(jìn)行演示。演示采用了一個(gè)小型電烤箱，帶有一個(gè)旋轉(zhuǎn)組件，上方裝有高溫PCB，且能夠連續(xù)工作?？鞠渲械募訜嵩挥陧敳扛浇?。這種設(shè)計(jì)會(huì)在烤箱內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度。旋轉(zhuǎn)機(jī)制用于同時(shí)測(cè)量溫度和位置的實(shí)驗(yàn)之中。
AD8229負(fù)責(zé)調(diào)理來自K型熱電偶的信號(hào)，熱電偶在烤箱內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)。熱電偶探針伸出PCB約6英寸，目的是為了更好地測(cè)量烤箱溫度變化。同時(shí)，ADXL206負(fù)責(zé)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度。三個(gè)信號(hào)(溫度梯度、x軸加速度和y軸加速度)通過一個(gè)額定值達(dá)到高溫工作條件的滑環(huán)(旋轉(zhuǎn)連接器)來傳送?；h(huán)可以保持與非旋轉(zhuǎn)線纜的連接，線纜連接至烤箱外的數(shù)據(jù)采集電路板。由于"冷結(jié)點(diǎn)"位于烤箱內(nèi)部，可以采用附加熱電偶為內(nèi)部溫度提供靜態(tài)參考。AD8495熱電偶放大器(也位于烤箱外)采用其集成冷結(jié)補(bǔ)償來調(diào)理附加熱電偶的信號(hào)。
烤箱內(nèi)的電路板位于中心附近的旋轉(zhuǎn)組件上，該位置的溫度約為175°C。電路板結(jié)構(gòu)采用聚酰亞胺材料。銅層上的走線采用0.020英寸的最小寬度，以改進(jìn)銅與預(yù)浸材料的連接(圖3)。器件采用標(biāo)準(zhǔn)HMP焊料(5/93.5/1.5錫/鉛/銀)連接，并采用特氟龍鍍膜線連接電路板和滑環(huán)。
圖3 安裝器件的高溫PCB
所有的精密器件都采用通孔安裝。儀表放大器的增益通過一個(gè)25ppm/°C的金屬薄膜電阻來設(shè)置。放大器在高增益下工作，因此，放大器到增益電阻的走線長度應(yīng)盡可能短，以將銅電阻降至最低(4000ppm/°C TC)。熱電偶和放大器的接口位于電路板中心，目的是在旋轉(zhuǎn)時(shí)維持溫度穩(wěn)定。熱電偶引腳應(yīng)盡可能靠近，以消除結(jié)點(diǎn)上無用的熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)。
高溫鉭電容和C0G/NP0電容可對(duì)電源進(jìn)行去耦，并用作加速度計(jì)輸出的濾波器。
計(jì)算機(jī)處理四個(gè)不同來源的數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)角度(矩形x和y分量)、內(nèi)部溫度梯度和參考溫度。綜合上述各項(xiàng)測(cè)量結(jié)果即可繪制出溫度梯度(圖4)。分析結(jié)果顯示，溫度變化達(dá)到25°C。正如預(yù)期，最高溫在烤箱后壁頂部旁邊的加熱元件附近。由于存在自然對(duì)流，烤箱頂部是烤箱內(nèi)部第二熱的區(qū)域。最低溫在熱電偶與加熱元件位置相反時(shí)測(cè)得。
圖4 高溫演示圖
該實(shí)驗(yàn)以簡化形式表明，在惡劣環(huán)境下工作時(shí)，記錄系統(tǒng)中集成的高溫器件如何提取有價(jià)值信息。
許多(包括成熟與新興)儀表應(yīng)用都需要能夠在極端高溫環(huán)境下工作的器件。過去，由于缺少額定值能夠在此類惡劣環(huán)境下工作的器件，設(shè)計(jì)性能可靠的儀表十分困難。而現(xiàn)在，能夠在這些環(huán)境下工作的IC和支持器件都已出現(xiàn)，既節(jié)省了工程設(shè)計(jì)時(shí)間，又降低了失敗風(fēng)險(xiǎn)。采用這種新技術(shù)并遵照高溫設(shè)計(jì)方法，就能使高性能儀表在與之前可行環(huán)境相比更加極端的環(huán)境下可靠工作。
