Timepix 3 像素布局、工作模式和像素结构

像素布局

Timepix 3与Medipix 3相同，像素矩阵也是256 x 256方阵。为了简化高精度时间戳的实现和像素坐标的获取（光子击中位置），256列像素被分为128个双列，每个双列又分成64个超像素（SuperPixel，由4×2=8个55μm×55μm 像素构成）。超像素示意图和像素地址编码如下：

其中EoC_address为双列地址（128个双列需要15-9+1=7bit）、SP_address为超像素地址（64个超像素需要8-3+1=6bit）、Pixel_address为像素在超像素中的位置（8个像素需要3bit），总共需要16bit。

工作模式

Timepix 3有三种获取模式（Acquisition Mode），每种模式又可以分为是否使用高精度时间戳。每种模式的数据包格式不同，即28bit计数器的内容和布局不同，如下表：

获取模式（Acquisition Mode）高精度时间戳28bit计数器内容和布局
TOA & TOT是14bit TOA + 10bit TOT + 4bit FTOA
否14bit TOA + 10bit TOT + 4bit HitCounter
Only TOA是14bit TOA + 10bit Dummy + 4bit FTOA
否14bit TOA + 10bit Dummy + 4bit HitCounter
Event Count & Integral TOT是14bit Integral TOT + 10bit HitCounter + 4bit Dummy
否14bit Integral TOT + 10bit HitCounter + 4bit HitCounter

注：FTOA = Fast TOA精度可达1.56ns，Dummy = 未用到，HitCounter 击中次数计数器

读出模式

两种读出模式：

  • 基于帧读出模式（Frame-based Zero-Suppressed mode），即曝光、读出、曝光、读出、……，类似于全帧式CCD相机的工作模式。

  • 数据（事件）驱动模式（Data-driven zero-Suppressed mode）：像素被击中后，立刻将像素坐标和计数器内容从芯片中读出。

这两种模式使用相同的内部数据通路读出数据，只是数据读出的时刻不同。数据驱动模式在事件被记录完成后读出48bit的数据包，而基于帧读出模式在测量结束后读出数据。如下图所示：

从上图可以看出，Timepix 3测量的开始和结束是通过“快门”（Shutter）控制的。两种模式下，都包括16bit的像素地址数据。当拼接多个芯片时，通过ChipID来区分是哪个芯片的数据。

结构

与Medipix类似，每个像素包含模拟和数字电路，原理框图如下：

模拟部分

  • 电荷灵敏放大器（Charge Sensitive Amplifier, CSA），反馈电容3fF，增益~50mV/ke-。CSA采用Krummenacher体系结构，补偿探测器泄漏电流。可以处理正电荷和负电荷（Polarity Bit极性比特设置）。

  • 一个比较器，局部阈值调节bit为4bit，基准为全局阈Global

  • 数字部分：

  • 计数器Counter

  • 同步和控制逻辑电路（Synchronizer & Clock gating）

  • 超像素共用电路 - 高精度时钟（VCO）、像素读出等

  • 配置寄存器（Pixel Configuration Register, PCR），6bit（Test bit 、Local Threshold 4bit、Mask bit）

处理流程

  • 像素收集的电荷经CSA放大，得到幅度与电荷量相关的电压信号，送入比较器；

  • 比较器的比较基准是全局阈值，当信号幅度超过全局阈值时，比较器输出方波，上升沿是CSA输出电压超过阈值的时刻，下降沿是CSA输出超过阈值后再低于阈值的时刻，也就是说比较器输出高电平的持续时间是信号幅度过阈时长（TOT）。

  • 比较器输出方波的上升沿对应的时刻即TOA时间，也是事件计数的时间基准。

TOA和TOT数据的获得：

Timepix 3有两个时钟：

  • 40MHz低精度时间戳时钟，所有获取模式都要用到，这个时钟一直工作；

  • 640MHz高精度时钟，640 = 40×16（周期1.56ns），对应4bit高精度计数器。采用倍频技术生成，这个时钟间歇工作，启、停时刻如下图所示：

Timepix 3高精度TOA：4bit高精度时间计数器（初值为0）累加比较器上升沿和下一个时钟（40MHz）上升沿的高精度时钟（频率640MHz）的脉冲数。

TOA低精度TOA：Timepix每列都有一个全局TOA时钟计数器，这个时钟计数器累加从曝光开始后的低精度时钟（40MHz）的脉冲数（格雷码），在比较器脉冲上升沿之后的第一个低精度时钟脉冲上升沿到来后，从全局TOA时钟寄存器读入全局TOA值到像素计数（14bit）寄存器。

TOA就包括两个部分：高精度时间戳和低精度时间戳

TOT是比较器高电平持续期间内低精度时钟脉冲的脉冲数。

It is important to note that in Timepix 3, TOA value is not based on the shutter (like in Timepix) and is taken from a free-running global Gray counter instead. However, TOA value of rising/falling edges of the shutter can be obtained via Global Timer. If acquisition time is shorter than 14b-range*clock period (409.6μs @ 40MHz), it is guaranteed that no ambiguities in TOA value exist.

注意：TOA值Timepix 3值与Timepix不同。Timepix  TOA值基于快门信号，即信号超过阈值到测量结束期间的基准时钟脉冲数。Timepix 3 TOA则取自全局格雷码计数器。但是，快门信号的上升沿/下降沿的TOA值可通过全局定时器（48bit）获得。如果测量时间低于14bit-表示范围*时钟周期（409.6μs @ 40MHz），就可以保证TOA值无冲突。


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