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电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第16期No.162023年8月Aug.2023收稿日期：2022-06-22稿件编号：202206138作者简介：李 飞（1987），男，陕西渭南人，硕士，工程师。研究方向：工业控制、应用电子电路开发与设计。硅光电倍增管（SiPM）是一种半导体光子探测器，其性能特点与传统的光电倍增管 PMT(Photomultip-lier Tube)相当。SiPM 具有固态传感器的实际优势，它由许多个工作在盖革模式下的雪崩二极管 APD(Avalanche Photo Diode)组成。目前的SiPM器件普遍存在击穿电压随温度漂移的问题，温度又影响其增益，同时增益又与其偏置电压有关，所以温度的变化最终对图像的重建、能量的分辨率造成影响1-2。传统的温度补偿方法为信号幅度补偿，即通过温度传感器获取并分析探测器能量测量结果随温度变化的规律，设定校正系数，达到校正测量结果的目的3-5。此外，还通过低温制冷以及特定稳压二极管等进行温度补偿，以上方式由于复杂的电路设计、大硅光电倍增管偏置补偿电源电路设计李 飞，庞晓东，徐陈勇（公安部第一研究所 北京中盾安民分析技术有限公司，北京 102200）摘要：硅光电倍增管(SiPM)器件具有极强的温度依赖性，其温度变化最终会引起增益漂移，所以为了在温度波动的情况下保持增益相对稳定，该文研发设计了一款光电倍增管的偏置补偿电源电路。该设计通过 NTC热敏电阻、STM32L1系列微控制器和精密运放等实现可自动调整电源电路，微控制器通过计算出检测值与真实电压的关系，利用 ADC检测值进行反馈调节的方式，最终实现SiPM偏置电压的精确调节。测试结果表明，该系统能补偿温度变化引起的输出电压漂移，该系统提高了探测器偏置电压的稳定性，从线性拟合结果来看，实际和理论偏置电压的线性相关系数为0.999 16，稳压器输出电压纹波电压小于1%。关键词：硅光电倍增管；STM32L1；温度补偿；NTC热敏电阻中图分类号：TN9文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）16-0102-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.16.021Design of the power circuit of bias compensation for the silicon photomultiplierLI Fei，PANG Xiaodong，XU Chenyong（Beijing Zhongdun Anmin Analysis Technology Company Limited，First Research Institute of The Ministryof Public Security of People s Republic of China，Beijing 102200，China）Abstract:The Silicon Photomultiplier(SiPM)has a strongly temperature dependence that its change willeventually cause gain drift output voltage.In order to keep the gain relatively stable in case oftemperature fluctuation，we design a power circuit of bias compensation for the SiPM.The design realizesthe power circuit that can be automatically adjusted through NTC thermistor，STM32L1 series microcontroller and precision operational amplifier.The micro controller calibrated the relationship betweenthe ADC monitoring value and the real bias voltage.The ADC monitoring value is used for feedbackregulation to realize the precise bias adjustment.The test results show that the system can compensate theoutput voltage drift and improves the stability of the detector bias voltage.According to the linear fittingresults，the linear correlation coefficient between the actual and theoretical bias voltage is 0.999 16，output voltage ripple voltage of voltage regulator is less than 1%.Keywords:SiPM；STM32L1；temperature compensation；NTC thermistor-102体积和高成本而大大降低了其普遍实用性，该文为了减少甚至消除温度变化引起的增益漂移，设计了可随环境温度实时调节变化的 SiPM补偿电压系统，实现了偏置电压的相对稳定。1系统设计1.1SiPM简介硅光电倍增管（SiPM）在盖革模式下偏置时，产生的光电流与已激发的微电池数量成比例6-7。SiPM的增益 G 定义为每个检测到的光子产生的电荷量，是过电压和微电池电子电荷的函数：G=CVq=C(Vbias-Vbr)q（1）式中，V为过电压，C为单个 APD 在雪崩放电时的等效电容，q 为电子电荷。Vbias为加在 SiPM 的偏置电压，Vbr为击穿电压，即 SiPM耗尽区产生的电场强度足以产生盖革放电的偏置点。暗计数率(DCR)主要是在活性体积中产生的热电子的计数，每个暗计数都是热产生的电子在高场区域引发雪崩的结果，DCR是有效面积、过电压和温度的函数。如果阈值可以设置在单光子水平之上，那么噪声引起的错误触发可以显著减少8。SiPM 温度和电压的关系如图 1所示，要使 SiPM相对稳定地工作，系统必须提供稳定的过电压或者使设备工作在稳定的温度下。图1SiPM温度和电压关系1.2系统搭建硅光电倍增管偏置补偿电源电路系统框图如图 2 所示，该系统主要是由微控制器(STM32L151)、片上12位的ADC、12位的DAC、MF52系列NTC热敏电阻、直流电压电路、输出电压采集电路以及微控制器外围电路组成。图2电源电路系统框图微控制器通过 ADC采集 MF52系列 NTC热敏电阻器值，经过温度计算公式确定当前温度的变化程度，最终通过 DAC输出对应的电压值来调节偏置电压电路，从而实现温度和偏置电压电路的线性关系，RS422 串行通信电路主要输出当前的温度值，通过串口打印功能进行实时温度监控。2硬件电路设计偏置补偿电源电路主要是由温度探测和电压校正放大两部分组成。温度探测器件紧贴 SiPM 阵列板，通过微控制器控制 ADC 实时读取探测器电阻值，并根据微控制器中预设的温度增益曲线实时校正输出数据，调整电压校正放大电路输出的电压，最终输出稳定、线性的电压值。2.1温度探测NTC是负温度系数热敏电阻，是由Mn-Co-Ni氧化物充分混合后烧结而成的陶瓷材料制备而来，其电阻值对温度变化敏感。随着本体温度的升高，NTC的电阻值呈非线性下降，这是NTC的特性9-10。温度采样电路中高精度分压电阻R1的选择主要由两个方面决定，第一由于分压电阻会影响温度区间的分辨率，所以需要关注实际使用的是高温区还是低温区。第二由于流过 NTC的电流是有限的，需要选择合适的分压电阻确保NTC自身流过额定的电流值11-12。温度采样最简单实用的电路如图3所示。根据热敏电阻的温度计算公式RT=REXP(B(1/T1-1/T2)可以得到温度T1与电阻RT的关系13。T1和T2代表开尔文温度，RT是热敏电阻在T1下的阻值，R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值，B李 飞，等硅光电倍增管偏置补偿电源电路设计-103电子设计工程 2023年第16期是热敏电阻的固有参数(3 950K)。通过电阻分压计算，最终得出ADCIN10=R3/(R1+R3)212，其中，212代表了ADC的分辨率。2.2直流电压电路由于 SiPM 需要的偏置电压精度较高,电压调整率小于 0.1%，输出电压纹波小于 1%。因此，设计的直流电压电路如图4所示，由基准电压源U5、低输入失调电压的精密运算放大器 D1、线性低压降的可调节电压跟踪稳压器 D2、高精度电阻以及具有低 ESR的陶瓷电容器组成。电压拓扑电路图如图4所示。图3温度采样电路图图4电压拓扑电路图基准电压源 U5 采用 T1 公司生产的低漂移、低功耗、低温度系数的REF3433小尺寸系列芯片，输出电压为 3.3 V，初始精度为0.05%。差分输入选用OPA330(CMOS运放、轨到轨输入和输出)，它具有超低的输入失调电压和低噪声，可以保证电压的输出精度。差分运算的 OPA330其中一个引脚接入由基准电压源提供的参考电压，运放的另一输入引脚连接微控制 DAC输出电压，经过运算后得到合理的调整电压。即通过运放输入端“虚短”和“虚断”的特性计算得出差分运放的传递函数：Voutput=VADJ=(R9/(R9+R12)(R11+R12)/R11)VOUTF-(R10/R11)VDAC_OUT1（2）差分运放的输出最终接入稳压器的VADJ输入端，对稳压器输出电压进行线性反馈调整。电压电路采用的线性稳压器 D2选用 T1公司生产的 TPS7B4254-Q1 芯片，该芯片具有宽输入电压范围、4 mV超低输出跟踪容差、160 mV输出电流能力等优点。稳压器 D2 通过外部电阻分压器将OUT 和 FB 引脚连接在一起，输出电压VOUT=VADJ(1+R14/R15)。其中，C24电容为前馈电容器，主要用来保持环路稳定。2.3微控制器和电压采集电路2.3.1输出电压采集电路微控制器将稳压器输出电压通过电阻分压后再进行另一路 ADC采集，主要是将采集到的实际输出电压在微控制器内部进行转换，将理论输出电压和实际输出电压进行对比校正，电路图如图 4 所示。假设反馈采样电压在AD转换后得到的电压为：VADC_IN11=R17+R18R17Voutput（3）事先测出各个温度下的电阻值，并将它们写成表格的形式存入到 STM32内部存储器中，后续根据不同温度读取不同的值。2.3.2微控制器微 控 制 器 选 用 ST 公 司 低 功 耗 的 32 位 芯 片STM32L1，该 芯 片 集 成 了 高 性 能 ARM Cortex-M3RISC 内核，最高工作频率为 32 MHz，有 6 个通用定时器、多个 USART 以及片上集成 12 位的 ADC 和-104DAC等优点。微控制器采用 TI公司生产的 LM1117芯片提供3.3 V供电电压，采用外部8 M晶振，通过在芯片周围增加不同电容进行滤波14，微控制器内部 ADC 参考电压由外部高精度参考电压源芯片 REF3433提供。微控制器采用 SWD 方式进行在线调试和程序下载。微控制器供电以及外围部分电路如图5所示。图5微控制器供电以及外围电路微控制器内部采用时间轮询法，通过 ADC采集当前热敏电阻值，通过数据列表将电阻值转换为对应的温度，同时将对应的温度换算成该温度下 SiPM所需的偏置电压，其次将当前采集到的 SiPM 偏置电压分压值转换为同一度量单位，前者作为给定值，后者作为测量值，进行 PID 运算，得到校正电压值，最终通过 DAC 引脚进行输出，通过控制线性稳压器 D2 实现了对 SiPM 偏置电压的精密调整。同时，通过串口将温度和电压进行固定频率(1 s/次)输出，方便工作人员监控。微控制器简易流程图如图 6所示。图6微控制器简易流程图2.4RS422串行通信串行通信芯片选用 SIPEX 公司生产的 SP3490E型收发器进行数据通信，它是一种全双工数据接口，点对点进行通信15-16。该芯片ESD耐压值为15 kV，芯片和微控制器连接的接收和发送信号引脚采用4.7 k的上拉电阻，以增加抗干扰和防静电的能力，每对差分信号间采用120 电阻进行阻抗匹配，信号线上采用 820 电阻。每对差分信号线通过双向瞬态抑制二极管P4SMA18CA进行保护，将过冲电压箝位于一个预定值，有效地保护电子芯片不受损坏。串行通信电路拓扑图如图7所示。图7串行通信电路拓扑图3主要性能测试3.1直流电压电路测试将热敏电阻更换为精密可调电阻器，使线性稳压器输出稳定的电压值，使用高精度万用表，每隔5 min 进行输出电压测量，连续测量 2 h，测量电压记录如表 1所示，测量电压的平均值为 26.803 V，最大偏差仅为0.02%，电压值范围为050 min。稳压器输出电压纹波电压小于1%，如图8所示。3.2上位机数据监控微控制器通过RS422串行通信接口将当前测试的温度和电压以固定时间间隔1 s进行输出，此处仅李 飞，等硅光电倍增管偏置补偿电源电路设计-105电子设计工程 2023年第16期在串口调试助手进行显示，如图9所示。图9温度电压显示3.3直流电压电路效果测试该设计采用 onsemi公司生产的 C系列 88硅光电倍增管阵列，光敏面积为 6 mm，其增益可达 106，理想工作电压范围为 2627 V。根据数据手册查阅可知，这款SiPM线性温度系数为21.5 mV/，根据公式Vout=KRT+Vbias进行计算，理想输出电压与温度的线性拟合方程为Vout=0.021 5T+26.8 V，根据线性方程描绘出理想线性曲线。在不同温度下对设计电路进行输出测试，每隔 5 进行测量，数据记录后描绘曲线，从线性拟合结果来看，二者的线性相关系数为 0.999 16，结果表明线性度很好。SiPM 电压温度线性曲线如图10所示。4结论该文采用热敏电阻作为采样电阻，设计了具有温度补偿功能的 SiPM偏置电源电路，并进行了相关测试和实验，实验结果表明，该设计中输出的电压稳定可靠，电压温度变化曲线和理想曲线有很好的契合度。最终结果表明，该系统能补偿温度变化引起的输出电压漂移，进而提高了探测器偏置电压的稳定性。此外，该设计可通过简单修改稳压器输出分压电阻和调节比较器反馈电阻的方法，为不同偏置电压需求的电路提供对应的电压。该设计方法操作方便简单，具有很强的实用性。参考文献：1 尹士玉,陈鹏宇,马丽双,等.SiPM低压电源模块性能研究J.核技术,2019,42(9):090403.2 刘伍丰,刘相满,唐述文.下一代康普顿望远镜的量能器探测单元研究J.核技术,2020,43(1):20-28.3 侯会良,黄跃峰,程懋松,等.小型智能程控SiPM电源设计与验证J.核技术,2020,43(6):82-86.4 Eigen G.Gain stabilization of SiPMs and afterpulsingJ.Journal of Physics:Conference Series,2019,1162(1):012013.5 宋海声,李承飞,李先勤,等.SiPM高压电源研制与验证J.核技术,2021,38(1):66-72.6 刘刚,贾宏志,涂建坤.基于SiPM的高灵敏度大响应范围的弱光探测系统J.光学仪器,2019,41(4):69-73.7 胡刚菱,周荣,白立新,等.LHAASO-WF CTA硅光电倍增管增益温度漂移精确补偿方法J.四川大学学报(自然科学版),2020,57(4):763-768.8 陈建光,倪旭翔,袁波,等.SiPM 激光雷达阳光下探测概率性能分析J.光电工程,2021,48(10):29-38.9 汪洋.Ni-Mn-O系NTC热敏电阻研究进展J.电子元件与材料,2020,39(10):25-31.10胡晓敏,童长青,吴浩,等.基于 NTC 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理，等基于分布式K-means算法的水电厂光纤测温系统可扩展性优化-111