原创 一代SiPM测试板效果评估总结

概述

第一代或者版本1的SiPM读出测试系统已经完成了历史使命，读出系统也已经在不断的迭代更新，由于硬件结构问题初代并未获得预期的效果，本文用来总结改版测试系统的得失，主要是总结失败经验，希望在后续迭代设计中汲取经验教训。

第一代SiPM读出测试系统的问题

第一代SiPM读出测试系统在经过了1年多的仿真后才将电路设计付诸实现，不过由于整个测试系统在硬件上被划分成了独立的3个子系统，所以在各个子系统连接时出现了一些问题。此外还有其它的一些问题，本段对此进行统计总结。

问题1：子系统连接问题

这个问题是因为整个测试系统分成了3个子系统，分别是读出、SiPM子系统和电源子系统。读出系统相当于整个系统的前端信号处理系统，SiPM子系统就是SiPM芯片单独形成一个子板并于读出子系统直接通过插座互联，电源子系统是将测试系统所需要用到的所有电源模块放在一个单板上，电源单板产生的电源电压再通过插座与读出子板连接。

子系统连接问题，在物理上表现为由于插座选择不合适，经过多次插拔之后，插座和插头都先后出现了物理上的损坏，严重影响了后期的测试。

子系统连接问题，在电子学上表现为SiPM的输出脉冲尾部有震荡，或者叫上冲和下冲，如图1所示。该上下冲虽然可以通过PZC来进行压缩，如图2中右侧，但是经过CBA电路的放大之后还是会放大很多倍，具体如图3所示。

图1：SiPM单个通到输出脉冲尾部的上下冲现象

图2：SiPM输出信号与其经过PZC处理后的脉冲信号

图3：SiPM输出脉冲经过CBA放大之后（TOUT）

问题2：SiPM偏置电压源选择问题

一代测试系统SiPM偏置电压源由滨松的C14156电源芯片提供，滨松提供了多种电压源，一代选择使用C14156有2个原因，首先是这颗芯片尺寸合适，其次是它能提供我们所选SiPM所需的高压偏置。在大概2020年左右开始进行设计的时候，如果根据电源芯片指标，我们更应该选择C11204-02，但是当时这颗电源芯片提供输出电压范围不满足我们所需。

SiPM单独子板PCB仅提供了物理电气连接，C14156的输出从电源板经两处插座供给给到SiPM芯片，同时在SiPM芯片附近由于未放置足够旁路滤波电容，可能也是图3上下冲产生的原因。

图4给出了C11204-02芯片的电气指标，图5给出了C14156电源芯片的电气特性指标。二者最大差异主要有两个方面，一个是纹波噪声指标，C11204-02是0.1mVp-p，而C14156是1mVp-p，另一个是随温度稳定性指标，C11204-02是+/- 10ppm/℃，而C14156是+/- 200ppm/℃。

图4：C11204-02电源电气指标

图5：C14156电源电气指标

问题3：SiPM偏置电压源平面受到SiPM输出脉冲影响

该问题在其它文章中有总结，这里不再赘述。

上述问题解决方案

上面总结了主要问题有3个方面，由于第一代硬件因为接插件问题根本上是并未得到完整测试，所以系统也许还存在未知或未被发现的其它问题。

问题1可以通过将三个子系统合并一起，从而避免了对接插件的使用，由此形成了第二代SiPM测试系统初步想法。

问题2，对于偏置电压，由于滨松有生产几个不同的偏置电压源，而且指标差异较大，可能不同的应用场合对应对此要求不一样，我们对应指标要求严苛，放弃C11204-02当时很无奈，但是在开始第二代设计之时，发现滨松对C11204-02指标进行了更新，输出电压范围下限从之前的40V调整到了20V，满足我们的要求，系统改板可以考虑选用。但是，在我们开始规划6代和7代设计的时候，得到滨松的信息反馈，C11204-02由于材料问题，后面也面临停产（最新消息，2024年9月已是最后订购时限）。滨松给出了两个方案，一个是推荐用户使用C11204-01，另一个是等待滨松后续新产品出来替换C11204-02。

直接替换C11204-02的产品并未得到滨松的最终确认，而C11204-01替换C11204-02则需要更改硬件中C11204-02部分，因为二者封装和引脚定义不一样，而且C11204-01的尺寸较大，产品化方面需要考虑。

问题3目前没有很好的办法解决，也没有很好的理由去解释产生这个问题的原因。从滨松反馈的信息来看，公开层面不认为他们的开发板或元件会遇到此类问题，但是从工程师个人经验来说，确实在以往设计过程中有遇到类似问题，并且认为遇到此类问题应该属于正常情况。