硅光电倍增管偏置补偿电源电路设计.pdf
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1、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
2、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
3、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)16-010
4、2-05DOI: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 C
5、hina,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 th
6、e 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
7、 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
8、 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
9、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
10、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
11、,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
12、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
13、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
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