硅光電倍增管偏置補償電源電路設(shè)計

李飛，龐曉東，徐陳勇

（公安部第一研究所北京中盾安民分析技術(shù)有限公司，北京 102200）

硅光電倍增管（SiPM）是一種半導(dǎo)體光子探測器，其性能特點與傳統(tǒng)的光電倍增管PMT(Photomultiplier Tube)相當。SiPM 具有固態(tài)傳感器的實際優(yōu)勢，它由許多個工作在蓋革模式下的雪崩二極管APD(Avalanche Photo Diode)組成。目前的SiPM 器件普遍存在擊穿電壓隨溫度漂移的問題，溫度又影響其增益，同時增益又與其偏置電壓有關(guān)，所以溫度的變化最終對圖像的重建、能量的分辨率造成影響[1-2]。

傳統(tǒng)的溫度補償方法為信號幅度補償，即通過溫度傳感器獲取并分析探測器能量測量結(jié)果隨溫度變化的規(guī)律，設(shè)定校正系數(shù)，達到校正測量結(jié)果的目的[3-5]。此外，還通過低溫制冷以及特定穩(wěn)壓二極管等進行溫度補償，以上方式由于復(fù)雜的電路設(shè)計、大體積和高成本而大大降低了其普遍實用性，該文為了減少甚至消除溫度變化引起的增益漂移，設(shè)計了可隨環(huán)境溫度實時調(diào)節(jié)變化的SiPM 補償電壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了偏置電壓的相對穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 SiPM簡介

硅光電倍增管（SiPM）在蓋革模式下偏置時，產(chǎn)生的光電流與已激發(fā)的微電池數(shù)量成比例[6-7]。SiPM的增益G定義為每個檢測到的光子產(chǎn)生的電荷量，是過電壓和微電池電子電荷的函數(shù)：

式中，ΔV為過電壓，C為單個APD 在雪崩放電時的等效電容，q為電子電荷。Vbias為加在SiPM 的偏置電壓，Vbr為擊穿電壓，即SiPM 耗盡區(qū)產(chǎn)生的電場強度足以產(chǎn)生蓋革放電的偏置點。

暗計數(shù)率(DCR)主要是在活性體積中產(chǎn)生的熱電子的計數(shù)，每個暗計數(shù)都是熱產(chǎn)生的電子在高場區(qū)域引發(fā)雪崩的結(jié)果，DCR 是有效面積、過電壓和溫度的函數(shù)。如果閾值可以設(shè)置在單光子水平之上，那么噪聲引起的錯誤觸發(fā)可以顯著減少[8]。

SiPM 溫度和電壓的關(guān)系如圖1 所示，要使SiPM相對穩(wěn)定地工作，系統(tǒng)必須提供穩(wěn)定的過電壓或者使設(shè)備工作在穩(wěn)定的溫度下。

圖1 SiPM溫度和電壓關(guān)系

1.2 系統(tǒng)搭建

硅光電倍增管偏置補償電源電路系統(tǒng)框圖如圖2 所示，該系統(tǒng)主要是由微控制器(STM32L151)、片上12 位的ADC、12 位的DAC、MF52 系列NTC 熱敏電阻、直流電壓電路、輸出電壓采集電路以及微控制器外圍電路組成。

圖2 電源電路系統(tǒng)框圖

微控制器通過ADC 采集MF52 系列NTC 熱敏電阻器值，經(jīng)過溫度計算公式確定當前溫度的變化程度，最終通過DAC 輸出對應(yīng)的電壓值來調(diào)節(jié)偏置電壓電路，從而實現(xiàn)溫度和偏置電壓電路的線性關(guān)系，RS422 串行通信電路主要輸出當前的溫度值，通過串口打印功能進行實時溫度監(jiān)控。

2 硬件電路設(shè)計

偏置補償電源電路主要是由溫度探測和電壓校正放大兩部分組成。溫度探測器件緊貼SiPM 陣列板，通過微控制器控制ADC 實時讀取探測器電阻值，并根據(jù)微控制器中預(yù)設(shè)的溫度增益曲線實時校正輸出數(shù)據(jù)，調(diào)整電壓校正放大電路輸出的電壓，最終輸出穩(wěn)定、線性的電壓值。

2.1 溫度探測

NTC 是負溫度系數(shù)熱敏電阻，是由Mn-Co-Ni 氧化物充分混合后燒結(jié)而成的陶瓷材料制備而來，其電阻值對溫度變化敏感。隨著本體溫度的升高，NTC的電阻值呈非線性下降，這是NTC的特性[9-10]。

溫度采樣電路中高精度分壓電阻R1的選擇主要由兩個方面決定，第一由于分壓電阻會影響溫度區(qū)間的分辨率，所以需要關(guān)注實際使用的是高溫區(qū)還是低溫區(qū)。第二由于流過NTC 的電流是有限的，需要選擇合適的分壓電阻確保NTC 自身流過額定的電流值[11-12]。溫度采樣最簡單實用的電路如圖3 所示。

圖3 溫度采樣電路圖

根據(jù)熱敏電阻的溫度計算公式RT=R×EXP(B×(1/T1-1/T2))可以得到溫度T1與電阻RT的關(guān)系[13]。

T1和T2代表開爾文溫度，RT是熱敏電阻在T1下的阻值，R是熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值，B是熱敏電阻的固有參數(shù)(3 950K)。通過電阻分壓計算，最終得出ADCIN10=R3/(R1+R3)×212，其中，212代表了ADC 的分辨率。

2.2 直流電壓電路

由于SiPM 需要的偏置電壓精度較高,電壓調(diào)整率小于0.1%，輸出電壓紋波小于1%。因此，設(shè)計的直流電壓電路如圖4 所示，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ESR的陶瓷電容器組成。電壓拓撲電路圖如圖4 所示。

圖4 電壓拓撲電路圖

基準電壓源U5 采用T1 公司生產(chǎn)的低漂移、低功耗、低溫度系數(shù)的REF3433 小尺寸系列芯片，輸出電壓為3.3V，初始精度為±0.05%。差分輸入選用OPA330(CMOS 運放、軌到軌輸入和輸出)，它具有超低的輸入失調(diào)電壓和低噪聲，可以保證電壓的輸出精度。差分運算的OPA330 其中一個引腳接入由基準電壓源提供的參考電壓，運放的另一輸入引腳連接微控制DAC 輸出電壓，經(jīng)過運算后得到合理的調(diào)整電壓。即通過運放輸入端“虛短”和“虛斷”的特性計算得出差分運放的傳遞函數(shù)：

差分運放的輸出最終接入穩(wěn)壓器的VADJ輸入端，對穩(wěn)壓器輸出電壓進行線性反饋調(diào)整。

電壓電路采用的線性穩(wěn)壓器D2 選用T1 公司生產(chǎn)的TPS7B4254-Q1 芯片，該芯片具有寬輸入電壓范圍、±4 mV 超低輸出跟蹤容差、±160 mV 輸出電流能力等優(yōu)點。穩(wěn)壓器D2 通過外部電阻分壓器將OUT 和FB 引腳連接在一起，輸出電壓VOUT=VADJ×(1+R14/R15)。其中，C24電容為前饋電容器，主要用來保持環(huán)路穩(wěn)定。

2.3 微控制器和電壓采集電路

2.3.1 輸出電壓采集電路

微控制器將穩(wěn)壓器輸出電壓通過電阻分壓后再進行另一路ADC 采集，主要是將采集到的實際輸出電壓在微控制器內(nèi)部進行轉(zhuǎn)換，將理論輸出電壓和實際輸出電壓進行對比校正，電路圖如圖4 所示。假設(shè)反饋采樣電壓在AD 轉(zhuǎn)換后得到的電壓為：

事先測出各個溫度下的電阻值，并將它們寫成表格的形式存入到STM32 內(nèi)部存儲器中，后續(xù)根據(jù)不同溫度讀取不同的值。

2.3.2 微控制器

微控制器選用ST 公司低功耗的32 位芯片STM32L1，該芯片集成了高性能ARM Cortex-M3 RISC 內(nèi)核，最高工作頻率為32 MHz，有6 個通用定時器、多個USART 以及片上集成12 位的ADC 和DAC 等優(yōu)點。

微控制器采用TI 公司生產(chǎn)的LM1117 芯片提供3.3V 供電電壓，采用外部8 M 晶振，通過在芯片周圍增加不同電容進行濾波[14]，微控制器內(nèi)部ADC 參考電壓由外部高精度參考電壓源芯片REF3433 提供。微控制器采用SWD 方式進行在線調(diào)試和程序下載。微控制器供電以及外圍部分電路如圖5 所示。

圖5 微控制器供電以及外圍電路

微控制器內(nèi)部采用時間輪詢法，通過ADC 采集當前熱敏電阻值，通過數(shù)據(jù)列表將電阻值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度，同時將對應(yīng)的溫度換算成該溫度下SiPM所需的偏置電壓，其次將當前采集到的SiPM 偏置電壓分壓值轉(zhuǎn)換為同一度量單位，前者作為給定值，后者作為測量值，進行PID 運算，得到校正電壓值，最終通過DAC 引腳進行輸出，通過控制線性穩(wěn)壓器D2 實現(xiàn)了對SiPM 偏置電壓的精密調(diào)整。同時，通過串口將溫度和電壓進行固定頻率(1 s/次)輸出，方便工作人員監(jiān)控。微控制器簡易流程圖如圖6 所示。

圖6 微控制器簡易流程圖

2.4 RS422串行通信

串行通信芯片選用SIPEX 公司生產(chǎn)的SP3490E型收發(fā)器進行數(shù)據(jù)通信，它是一種全雙工數(shù)據(jù)接口，點對點進行通信[15-16]。該芯片ESD 耐壓值為±15 kV，芯片和微控制器連接的接收和發(fā)送信號引腳采用4.7 kΩ的上拉電阻，以增加抗干擾和防靜電的能力，每對差分信號間采用120 Ω電阻進行阻抗匹配，信號線上采用820 Ω電阻。每對差分信號線通過雙向瞬態(tài)抑制二極管P4SMA18CA 進行保護，將過沖電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護電子芯片不受損壞。串行通信電路拓撲圖如圖7 所示。

圖7 串行通信電路拓撲圖

3 主要性能測試

3.1 直流電壓電路測試

將熱敏電阻更換為精密可調(diào)電阻器，使線性穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的電壓值，使用高精度萬用表，每隔5 min 進行輸出電壓測量，連續(xù)測量2 h，測量電壓記錄如表1 所示，測量電壓的平均值為26.803V，最大偏差僅為0.02%，電壓值范圍為0～50 min。穩(wěn)壓器輸出電壓紋波電壓小于1%，如圖8 所示。

表1 測量電壓記錄

圖8 穩(wěn)壓器輸出電壓紋波

3.2 上位機數(shù)據(jù)監(jiān)控

微控制器通過RS422 串行通信接口將當前測試的溫度和電壓以固定時間間隔1 s 進行輸出，此處僅在串口調(diào)試助手進行顯示，如圖9 所示。

圖9 溫度電壓顯示

3.3 直流電壓電路效果測試

該設(shè)計采用onsemi 公司生產(chǎn)的C 系列8×8 硅光電倍增管陣列，光敏面積為6 mm，其增益可達106，理想工作電壓范圍為26～27 V。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊查閱可知，這款SiPM 線性溫度系數(shù)為21.5 mV/℃，根據(jù)公式Vout=KR×T+Vbias進行計算，理想輸出電壓與溫度的線性擬合方程為Vout=0.021 5×T+26.8 V，根據(jù)線性方程描繪出理想線性曲線。在不同溫度下對設(shè)計電路進行輸出測試，每隔5 ℃進行測量，數(shù)據(jù)記錄后描繪曲線，從線性擬合結(jié)果來看，二者的線性相關(guān)系數(shù)為0.999 16，結(jié)果表明線性度很好。SiPM 電壓溫度線性曲線如圖10 所示。

圖10 SiPM電壓溫度線性曲線

4 結(jié)論

該文采用熱敏電阻作為采樣電阻，設(shè)計了具有溫度補償功能的SiPM 偏置電源電路，并進行了相關(guān)測試和實驗，實驗結(jié)果表明，該設(shè)計中輸出的電壓穩(wěn)定可靠，電壓溫度變化曲線和理想曲線有很好的契合度。最終結(jié)果表明，該系統(tǒng)能補償溫度變化引起的輸出電壓漂移，進而提高了探測器偏置電壓的穩(wěn)定性。此外，該設(shè)計可通過簡單修改穩(wěn)壓器輸出分壓電阻和調(diào)節(jié)比較器反饋電阻的方法，為不同偏置電壓需求的電路提供對應(yīng)的電壓。該設(shè)計方法操作方便簡單，具有很強的實用性。