硅光電倍增管偏置補償電源電路的設(shè)計分析

葛 莉，劉金蓮，李 昌

（1.河北女子職業(yè)技術(shù)學院，河北 石家莊 050091；2.石家莊市藝術(shù)學校，河北 石家莊 050800）

1 硅光電倍增管的工作原理

硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）是一種將微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號的高效檢測器，由眾多微型的單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）單元組成。這些單元在硅片表面形成一個像素陣列，每個SPAD 單元均能獨立工作，并在光子激發(fā)下進入蓋革模式，從而引發(fā)雪崩效應(yīng)，放大光信號。當光子入射到SiPM 時，產(chǎn)生的電子-空穴對會在強電場作用下發(fā)生雪崩，產(chǎn)生大量自由載流子，形成可測的電信號。SPAD 單元配備的消融電阻能迅速結(jié)束雪崩，使單元恢復(fù)為待命狀態(tài)。通過設(shè)計隔離結(jié)構(gòu)，能夠確保SPAD 單元之間的工作互不干擾，每個像素都能精確檢測光子[1]。

2 硅光電倍增管偏置補償電源電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)搭建

SiPM 偏置補償電源系統(tǒng)構(gòu)建了一個精密的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以微控制器（本次選用STM32L151）為核心，集成了多種關(guān)鍵組件，以實現(xiàn)對溫度變化導(dǎo)致的偏置電壓漂移進行實時補償。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括微控制器本身、內(nèi)置的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）、12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）、MF52 系列負溫度系數(shù)熱敏電阻、直流電壓生成電路、輸出電壓采樣電路以及必要的微控制器周邊接口電路（具體結(jié)構(gòu)見圖1）。

圖1 電源電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微控制器通過內(nèi)置的ADC 接口精確讀取MF52系列負溫度系統(tǒng)熱敏電阻在不同溫度下的阻值變化。一方面，基于預(yù)設(shè)的溫度-阻值轉(zhuǎn)換公式，系統(tǒng)能夠準確計算當前工作環(huán)境的溫度狀況。另一方面，微控制器依據(jù)溫度計算結(jié)果，通過搭載的12 位DAC 輸出對應(yīng)溫度補償?shù)碾妷褐?，與溫度形成線性關(guān)系，實時調(diào)節(jié)SiPM 所需的偏置電壓值，確保在不同溫度下都能維持增益穩(wěn)定性。此外，系統(tǒng)通過集成的RS-422串行通信電路實時輸出當前溫度值，并結(jié)合串口打印功能，為用戶提供直觀、實時的溫度監(jiān)控界面，增強系統(tǒng)溫度管理的透明度和可控性[2]。

2.2 硬件電路設(shè)計

2.2.1 溫度探測電路

為確保光信號檢測的精確性和系統(tǒng)輸出的一致性，需要實施有效的溫度探測和補償機制。因此，設(shè)計了一套溫度探測電路，該電路主要由溫度傳感元件、比較器單元及控制回路構(gòu)成，并采用負溫度系數(shù)熱敏電阻。負溫度系數(shù)熱敏電阻是一種基于Mn-Co-Ni 氧化物陶瓷材料制成的器件，其電阻值隨溫度上升呈非線性遞減特性，對溫度變化具有高度敏感性，適合用于監(jiān)測SiPM 工作環(huán)境的溫度波動情況[3]。

首先，為在寬泛的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精準測量，選用的分壓電阻應(yīng)具備較小的溫度系數(shù)，以確保測量的分辨率和精度均能達到較高水平。其次，由于負溫度系統(tǒng)熱敏電阻會限制通過的電流容量，因此在設(shè)計電路時必須保證流經(jīng)該電阻的電流不超過額定值，以免影響測量結(jié)果的真實性和可靠性。最后，綜合考量溫度測量范圍內(nèi)的分辨率要求和電阻本身的額定電流參數(shù)。若阻值過大，可能導(dǎo)致負溫度系數(shù)熱敏電阻上的電流過低，進而影響測量準確性。因此，必須選擇合理的分壓電阻阻值，以確保整個測量系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。

比較器負責對比來自溫度傳感器的模擬電壓信號與預(yù)設(shè)的參考電壓，一旦兩者的偏差超出預(yù)設(shè)閾值，比較器會立即產(chǎn)生觸發(fā)信號，并傳送至控制電路，以實時調(diào)整SiPM 的偏置電壓，補償其因溫度變化引起的性能波動。

2.2.2 直流電壓電路

設(shè)計偏置補償電源的核心任務(wù)是為SiPM 的光電陰極和增益極提供高度穩(wěn)定且精確的直流偏置電壓，以滿足其對電壓的高精度要求。由于SiPM 對偏置電壓具有高敏感性，需要確保電壓調(diào)整率控制在0.1%以下，且輸出電壓的波動要低于1%[4]。因此，設(shè)計的直流電壓電路由基準電壓源U5、低輸入失調(diào)電壓的精密運算放大器D1、線性低壓降的可調(diào)節(jié)電壓跟蹤穩(wěn)壓器D2、高精度電阻以及具有低等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）的陶瓷電容器組成（見圖2）。

圖2 電壓拓撲電路

首先，將具有高穩(wěn)定度和低漂移的基準電壓源U5 作為整個電路的基礎(chǔ)參照。該基準源能長時間輸出極其穩(wěn)定的電壓，為后續(xù)的電壓調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)。其次，采用低輸入失調(diào)電壓的精密運算放大器D1。該器件具有極低的輸入失調(diào)電壓和溫度漂移特性，確保在任何工作條件下都能精確地處理和放大基準電壓信號，實現(xiàn)對輸出電壓的細微調(diào)節(jié)。再次，引入線性低壓降的可調(diào)節(jié)電壓跟蹤穩(wěn)壓器D2。該穩(wěn)壓器能根據(jù)輸入電壓的變化情況，線性調(diào)整輸出電壓，確保在輸入電壓波動的情況下，仍能保持輸出電壓的穩(wěn)定性。此外，該穩(wěn)壓器具有較低的壓降特性，能夠最大限度地減少能量損失，提高電源工作效率。最后，為減小輸出電壓的波動并提升電源濾波性能，需要在電路中加入具有低ESR 的陶瓷電容器，以濾除電源噪聲，確保輸出電壓的波動滿足設(shè)計要求。

2.3 微控制器

本設(shè)計采用STM32 系列的STM32L151 微控制器，充分利用其豐富的外設(shè)資源和強大的處理能力。利用微控制器內(nèi)置的ADC 模塊，實現(xiàn)對輸入電壓的精確測量。在軟件設(shè)計環(huán)節(jié)，首先需要編寫ADC 測量程序，通過讀取ADC 值來獲取輸入電壓，并設(shè)定電壓范圍，將ADC 值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值[5]。其次，編寫比例-積分-微分（Proportion Intergration Differentiation，PID）控制算法，根據(jù)測量電壓值與設(shè)定值之間的差異，計算控制信號，實現(xiàn)對偏置電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)。最后，將計算得到的控制信號輸出到DAC 模塊，以模擬電壓輸出，調(diào)節(jié)偏置電壓。

在整合過程中，需要將硬件電路和軟件程序連接起來，并進行相應(yīng)的調(diào)試工作。通過設(shè)置合適的參數(shù)，調(diào)試PID 算法的控制效果，確保偏置電壓穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。同時，安排工作人員進行長時間運行測試，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 主要性能測試

3.1 直流電壓電路測試

為驗證直流電壓電路的性能，進行測試實驗。將原本用于感應(yīng)環(huán)境溫度的熱敏電阻臨時替換為精密度可調(diào)的電阻器，以模擬恒定條件下的工作場景，確保線性穩(wěn)壓器輸出一個穩(wěn)定的電壓值。在2 h 的連續(xù)測試期間，每隔5 min 便采用高精度萬用表對輸出電壓進行一次精確測量，并記錄測量數(shù)據(jù)。

測量結(jié)果顯示，整個測試時段內(nèi)輸出電壓的平均值為26.803 V，具有極高的穩(wěn)定性。同時，最大電壓偏差僅為0.02%，表明該穩(wěn)壓器在長時間工作狀態(tài)下依然能保持卓越的電壓控制精度。

3.2 直流電壓電路效果測試

對設(shè)計電路進行不同溫度條件下的輸出測試（參數(shù)見表1），每隔5 ℃進行一次精確測量，并將所得數(shù)據(jù)記錄下來。通過對實測數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得到線性相關(guān)系數(shù)為0.999 16，表明實測數(shù)據(jù)與理論預(yù)測的線性關(guān)系非常緊密，證實該SiPM 在不同溫度下的輸出電壓與溫度變化具有極好的線性特性。

表1 Onsemi C 系列SiPM 陣列性能參數(shù)

4 結(jié) 論

通過分析并研究SiPM 的工作原理和偏置電壓的影響，設(shè)計了一種基于反饋控制的偏置補償電源電路。該電路采用運放作為控制元件，通過對比SiPM輸出信號與參考電壓，實現(xiàn)對偏置電壓的實時調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的偏置補償電源電路能夠有效抑制SiPM 輸出信號的漂移現(xiàn)象，并提供穩(wěn)定的偏置電壓。同時，該電路還具備較高的精確度，能有效滿足SiPM 在不同工作條件下的需求。