硅光電倍增管偏置補償電源電路的設計分析

葛 莉，劉金蓮，李 昌

（1.河北女子職業技術學院，河北 石家莊 050091；2.石家莊市藝術學校，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，并在光子激發下進入蓋革模式，從而引發雪崩效應，放大光信號。當光子入射到SiPM 時，產生的電子-空穴對會在強電場作用下發生雪崩，產生大量自由載流子，形成可測的電信號。SPAD 單元配備的消融電阻能迅速結束雪崩，使單元恢復為待命狀態。通過設計隔離結構，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計

2.1 系統搭建

SiPM 偏置補償電源系統構建了一個精密的閉環控制系統，該系統以微控制器（本次選用STM32L151）為核心，集成了多種關鍵組件，以實現對溫度變化導致的偏置電壓漂移進行實時補償。系統結構主要包括微控制器本身、內置的12 位模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）、12 位數模轉換器（Digital to Analog Converter，DAC）、MF52 系列負溫度系數熱敏電阻、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（具體結構見圖1）。

圖1 電源電路系統結構

微控制器通過內置的ADC 接口精確讀取MF52系列負溫度系統熱敏電阻在不同溫度下的阻值變化。一方面，基于預設的溫度-阻值轉換公式，系統能夠準確計算當前工作環境的溫度狀況。另一方面，微控制器依據溫度計算結果，通過搭載的12 位DAC 輸出對應溫度補償的電壓值，與溫度形成線性關系，實時調節SiPM 所需的偏置電壓值，確保在不同溫度下都能維持增益穩定性。此外，系統通過集成的RS-422串行通信電路實時輸出當前溫度值，并結合串口打印功能，為用戶提供直觀、實時的溫度監控界面，增強系統溫度管理的透明度和可控性[2]。

2.2 硬件電路設計

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成，并采用負溫度系數熱敏電阻。負溫度系數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，適合用于監測SiPM 工作環境的溫度波動情況[3]。

首先，為在寬泛的溫度范圍內實現精準測量，選用的分壓電阻應具備較小的溫度系數，以確保測量的分辨率和精度均能達到較高水平。其次，由于負溫度系統熱敏電阻會限制通過的電流容量，因此在設計電路時必須保證流經該電阻的電流不超過額定值，以免影響測量結果的真實性和可靠性。最后，綜合考量溫度測量范圍內的分辨率要求和電阻本身的額定電流參數。若阻值過大，可能導致負溫度系數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的精確性和穩定性。

比較器負責對比來自溫度傳感器的模擬電壓信號與預設的參考電壓，一旦兩者的偏差超出預設閾值，比較器會立即產生觸發信號，并傳送至控制電路，以實時調整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

設計偏置補償電源的核心任務是為SiPM 的光電陰極和增益極提供高度穩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，設計的直流電壓電路由基準電壓源U5、低輸入失調電壓的精密運算放大器D1、線性低壓降的可調節電壓跟蹤穩壓器D2、高精度電阻以及具有低等效串聯電阻（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，將具有高穩定度和低漂移的基準電壓源U5 作為整個電路的基礎參照。該基準源能長時間輸出極其穩定的電壓，為后續的電壓調節奠定基礎。其次，采用低輸入失調電壓的精密運算放大器D1。該器件具有極低的輸入失調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，實現對輸出電壓的細微調節。再次，引入線性低壓降的可調節電壓跟蹤穩壓器D2。該穩壓器能根據輸入電壓的變化情況，線性調整輸出電壓，確保在輸入電壓波動的情況下，仍能保持輸出電壓的穩定性。此外，該穩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計要求。

2.3 微控制器

本設計采用STM32 系列的STM32L151 微控制器，充分利用其豐富的外設資源和強大的處理能力。利用微控制器內置的ADC 模塊，實現對輸入電壓的精確測量。在軟件設計環節，首先需要編寫ADC 測量程序，通過讀取ADC 值來獲取輸入電壓，并設定電壓范圍，將ADC 值轉換為相應的電壓值[5]。其次，編寫比例-積分-微分（Proportion Intergration Differentiation，PID）控制算法，根據測量電壓值與設定值之間的差異，計算控制信號，實現對偏置電壓的動態調節。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，調節偏置電壓。

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

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。將原本用于感應環境溫度的熱敏電阻臨時替換為精密度可調的電阻器，以模擬恒定條件下的工作場景，確保線性穩壓器輸出一個穩定的電壓值。在2 h 的連續測試期間，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，并記錄測量數據。

測量結果顯示，整個測試時段內輸出電壓的平均值為26.803 V，具有極高的穩定性。同時，最大電壓偏差僅為0.02%，表明該穩壓器在長時間工作狀態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

對設計電路進行不同溫度條件下的輸出測試（參數見表1），每隔5 ℃進行一次精確測量，并將所得數據記錄下來。通過對實測數據進行線性回歸分析，得到線性相關系數為0.999 16，表明實測數據與理論預測的線性關系非常緊密，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

4 結 論

通過分析并研究SiPM 的工作原理和偏置電壓的影響，設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，實現對偏置電壓的實時調節。實驗結果表明，設計的偏置補償電源電路能夠有效抑制SiPM 輸出信號的漂移現象，并提供穩定的偏置電壓。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。