一、SiPM偏置电压基本原理

SiPM是一种由大量微型雪崩光电二极管（Microcell APD）阵列构成的光电探测器，每个微电池在高于击穿电压（Breakdown Voltage, V_BR）的偏置下工作，处于Geiger模式（Avalanche Mode）。其主要特点包括：

1. 高增益：单光子入射即可引起雪崩倍增，增益通常可达10⁵–10⁶。

2. 快响应：脉冲上升时间在数百皮秒到数纳秒之间。

3. 低工作电压：通常在20–70V之间，比传统光电倍增管低得多。

4. 偏置敏感性：SiPM增益、噪声率、光子探测效率（PDE）对偏置电压极为敏感。

在实际测试中，SiPM的偏置电压通常定义为：

$$V_{bias} = V_{BR} + V_{OV}$$

其中，V_OV为过压（Overvoltage），决定了增益和光子探测效率。

小结：选择偏置电压源时，必须考虑能够精确提供V_BR + V_OV，并保持高稳定性和低噪声。

二、SiPM测试板偏置电压源的关键指标

在SiPM测试板中，偏置电压源不仅是电源器件，更是影响测试数据可靠性的重要因素。选择时主要考量如下指标：

1. 电压范围与精度

• 电压范围：偏置源应覆盖SiPM的击穿电压范围及可调过压范围。例如，某型号SiPM V_BR为55V，过压V_OV通常为2–5V，则电源需要提供50–70V可调电压。

• 电压精度：精度直接影响SiPM增益精度，推荐精度为0.1%或更高，确保微小电压变化不引起增益误差。

2. 电流能力与保护

• 电流能力：SiPM工作电流通常为几微安到几毫安，测试板应能稳定提供微安至毫安级电流。

• 保护功能：偏置电压源需具备过流、过压保护，以防SiPM因瞬态电压冲击或接线错误损坏。

3. 稳定性与噪声

• 静态稳定性：偏置电压长期漂移需控制在mV级以内，以保证实验数据一致性。

• 噪声指标：SiPM对高频电源噪声敏感，噪声超过数mV RMS即可显著增加暗计数率（Dark Count Rate）。理想噪声应小于1mV RMS。

4. 可控性与接口

• 数字或模拟可调：实验中常需精确扫描过压曲线，因此电源需支持精密调节。

• 接口要求：实验室多采用USB、GPIB、LAN接口，以便自动化测试控制。

三、偏置电压源的选择原则

在满足上述指标的前提下，选择偏置电源应遵循以下原则：

1. 高精度优先

SiPM增益对过压敏感，通常增益随过压变化约10–20%/V。以0.1V的偏差即可引起1–2%的增益变化，因此优先选择高精度低漂移电源。

2. 低噪声设计

SiPM输出信号为微弱脉冲，高频电源噪声会叠加在信号上，降低信噪比。因此应选择噪声低于1mV RMS、带有滤波或稳压设计的电源。

3. 过流、过压保护

实验中偏置调整错误可能烧毁SiPM，带有软启动或限流功能的电源更安全，避免微电流瞬间冲击损坏器件。

4. 可调与可编程

科研测试常需精确扫描V_OV曲线，推荐使用支持数字接口和精细步进调节的电源，实现自动化控制。

四、常用SiPM偏置电源方案

根据不同应用场景，常用偏置电源方案可分为以下几类：

1. 实验室高精度可调电源

• 特点：高精度、高稳定、低噪声，带数字接口。

• 典型产品：Keysight E3630A、Keithley 2400系列等。

• 优势：稳定性好，易于自动化控制。

• 劣势：成本高、体积大。

2. DC-DC升压模块

• 特点：小型化，适合板上测试。

• 设计要点：需保证输出纹波小于1mV RMS，并配合滤波器。

• 优势：成本低、易嵌入测试板。

• 劣势：长期稳定性和噪声控制难度大。

3. 专用SiPM偏置IC

• 特点：集成升压、限流、软启动及数字控制。

• 应用示例：Hamamatsu、SensL等SiPM厂商提供配套偏置IC。

• 优势：小型化、可靠性高、噪声低。

• 劣势：灵活性受限，可能需要配合外部调节电路。

五、偏置电源设计与噪声控制

在设计板级偏置电源时，应注意以下几点：

1. 滤波与旁路：在输出端添加高频电容和低通滤波器，抑制高频噪声。

2. 远离数字电路：SiPM对数字噪声敏感，偏置线应远离开关电源及高速信号线。

3. 使用屏蔽与接地：通过屏蔽罩和单独地线减少EMI干扰。

4. 温度漂移补偿：V_BR随温度变化约20–50 mV/℃，可通过温度补偿或闭环调节实现稳定工作。

六、典型应用案例

案例1：实验室SiPM测试板

• 偏置源：Keithley 2400，输出0–70V，精度0.01%，噪声<0.5mV。

• 功能：支持V_OV扫描曲线测量，数据接口USB。

• 优势：高精度、自动化测试方便，数据重复性好。

案例2：便携式光子计数模块

• 偏置源：集成SiPM偏置IC + DC-DC升压模块。

• 功能：小体积、低功耗，输出50–60V，噪声<1mV RMS。

• 优势：适合嵌入式应用，满足现场测量需求。

七、总结与建议

选择SiPM测试板偏置电压源时，应充分考虑以下要点：

1. 精度与稳定性优先：保证增益和PDE稳定，避免电压漂移影响测试数据。

2. 低噪声设计：噪声水平直接影响暗计数率和信噪比。

3. 可调与保护功能：支持过压、过流保护和数字化控制。

4. 温度补偿与滤波：改善长期工作稳定性，抑制高频干扰。

5. 应用场景匹配：实验室可选高精度电源，便携或板级测试可采用专用偏置IC或低噪声DC-DC模块。

通过科学选择和合理设计偏置电源，能够充分发挥SiPM性能，获得稳定、可靠的实验数据，为光电子测量和应用提供坚实保障。