硅光电倍增管偏置补偿电源电路的设计分析

葛 莉，刘金莲，李 昌

（1.河北女子职业技术学院，河北 石家庄 050091；2.石家庄市艺术学校，河北 石家庄 050800）

1 硅光电倍增管的工作原理

硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）是一种将微弱光信号转换为电信号的高效检测器，由众多微型的单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode，SPAD）单元组成。这些单元在硅片表面形成一个像素阵列，每个SPAD 单元均能独立工作，并在光子激发下进入盖革模式，从而引发雪崩效应，放大光信号。当光子入射到SiPM 时，产生的电子-空穴对会在强电场作用下发生雪崩，产生大量自由载流子，形成可测的电信号。SPAD 单元配备的消融电阻能迅速结束雪崩，使单元恢复为待命状态。通过设计隔离结构，能够确保SPAD 单元之间的工作互不干扰，每个像素都能精确检测光子[1]。

2 硅光电倍增管偏置补偿电源电路设计

2.1 系统搭建

SiPM 偏置补偿电源系统构建了一个精密的闭环控制系统，该系统以微控制器（本次选用STM32L151）为核心，集成了多种关键组件，以实现对温度变化导致的偏置电压漂移进行实时补偿。系统结构主要包括微控制器本身、内置的12 位模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）、12 位数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）、MF52 系列负温度系数热敏电阻、直流电压生成电路、输出电压采样电路以及必要的微控制器周边接口电路（具体结构见图1）。

图1 电源电路系统结构

微控制器通过内置的ADC 接口精确读取MF52系列负温度系统热敏电阻在不同温度下的阻值变化。一方面，基于预设的温度-阻值转换公式，系统能够准确计算当前工作环境的温度状况。另一方面，微控制器依据温度计算结果，通过搭载的12 位DAC 输出对应温度补偿的电压值，与温度形成线性关系，实时调节SiPM 所需的偏置电压值，确保在不同温度下都能维持增益稳定性。此外，系统通过集成的RS-422串行通信电路实时输出当前温度值，并结合串口打印功能，为用户提供直观、实时的温度监控界面，增强系统温度管理的透明度和可控性[2]。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 温度探测电路

为确保光信号检测的精确性和系统输出的一致性，需要实施有效的温度探测和补偿机制。因此，设计了一套温度探测电路，该电路主要由温度传感元件、比较器单元及控制回路构成，并采用负温度系数热敏电阻。负温度系数热敏电阻是一种基于Mn-Co-Ni 氧化物陶瓷材料制成的器件，其电阻值随温度上升呈非线性递减特性，对温度变化具有高度敏感性，适合用于监测SiPM 工作环境的温度波动情况[3]。

首先，为在宽泛的温度范围内实现精准测量，选用的分压电阻应具备较小的温度系数，以确保测量的分辨率和精度均能达到较高水平。其次，由于负温度系统热敏电阻会限制通过的电流容量，因此在设计电路时必须保证流经该电阻的电流不超过额定值，以免影响测量结果的真实性和可靠性。最后，综合考量温度测量范围内的分辨率要求和电阻本身的额定电流参数。若阻值过大，可能导致负温度系数热敏电阻上的电流过低，进而影响测量准确性。因此，必须选择合理的分压电阻阻值，以确保整个测量系统的精确性和稳定性。

比较器负责对比来自温度传感器的模拟电压信号与预设的参考电压，一旦两者的偏差超出预设阈值，比较器会立即产生触发信号，并传送至控制电路，以实时调整SiPM 的偏置电压，补偿其因温度变化引起的性能波动。

2.2.2 直流电压电路

设计偏置补偿电源的核心任务是为SiPM 的光电阴极和增益极提供高度稳定且精确的直流偏置电压，以满足其对电压的高精度要求。由于SiPM 对偏置电压具有高敏感性，需要确保电压调整率控制在0.1%以下，且输出电压的波动要低于1%[4]。因此，设计的直流电压电路由基准电压源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等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）的陶瓷电容器组成（见图2）。

图2 电压拓扑电路

首先，将具有高稳定度和低漂移的基准电压源U5 作为整个电路的基础参照。该基准源能长时间输出极其稳定的电压，为后续的电压调节奠定基础。其次，采用低输入失调电压的精密运算放大器D1。该器件具有极低的输入失调电压和温度漂移特性，确保在任何工作条件下都能精确地处理和放大基准电压信号，实现对输出电压的细微调节。再次，引入线性低压降的可调节电压跟踪稳压器D2。该稳压器能根据输入电压的变化情况，线性调整输出电压，确保在输入电压波动的情况下，仍能保持输出电压的稳定性。此外，该稳压器具有较低的压降特性，能够最大限度地减少能量损失，提高电源工作效率。最后，为减小输出电压的波动并提升电源滤波性能，需要在电路中加入具有低ESR 的陶瓷电容器，以滤除电源噪声，确保输出电压的波动满足设计要求。

2.3 微控制器

本设计采用STM32 系列的STM32L151 微控制器，充分利用其丰富的外设资源和强大的处理能力。利用微控制器内置的ADC 模块，实现对输入电压的精确测量。在软件设计环节，首先需要编写ADC 测量程序，通过读取ADC 值来获取输入电压，并设定电压范围，将ADC 值转换为相应的电压值[5]。其次，编写比例-积分-微分（Proportion Intergration Differentiation，PID）控制算法，根据测量电压值与设定值之间的差异，计算控制信号，实现对偏置电压的动态调节。最后，将计算得到的控制信号输出到DAC 模块，以模拟电压输出，调节偏置电压。

在整合过程中，需要将硬件电路和软件程序连接起来，并进行相应的调试工作。通过设置合适的参数，调试PID 算法的控制效果，确保偏置电压稳定在设定范围内。同时，安排工作人员进行长时间运行测试，以验证系统的稳定性。

3 主要性能测试

3.1 直流电压电路测试

为验证直流电压电路的性能，进行测试实验。将原本用于感应环境温度的热敏电阻临时替换为精密度可调的电阻器，以模拟恒定条件下的工作场景，确保线性稳压器输出一个稳定的电压值。在2 h 的连续测试期间，每隔5 min 便采用高精度万用表对输出电压进行一次精确测量，并记录测量数据。

测量结果显示，整个测试时段内输出电压的平均值为26.803 V，具有极高的稳定性。同时，最大电压偏差仅为0.02%，表明该稳压器在长时间工作状态下依然能保持卓越的电压控制精度。

3.2 直流电压电路效果测试

对设计电路进行不同温度条件下的输出测试（参数见表1），每隔5 ℃进行一次精确测量，并将所得数据记录下来。通过对实测数据进行线性回归分析，得到线性相关系数为0.999 16，表明实测数据与理论预测的线性关系非常紧密，证实该SiPM 在不同温度下的输出电压与温度变化具有极好的线性特性。

表1 Onsemi C 系列SiPM 阵列性能参数

4 结 论

通过分析并研究SiPM 的工作原理和偏置电压的影响，设计了一种基于反馈控制的偏置补偿电源电路。该电路采用运放作为控制元件，通过对比SiPM输出信号与参考电压，实现对偏置电压的实时调节。实验结果表明，设计的偏置补偿电源电路能够有效抑制SiPM 输出信号的漂移现象，并提供稳定的偏置电压。同时，该电路还具备较高的精确度，能有效满足SiPM 在不同工作条件下的需求。