光子计数X射线探测器常见术语

Timepix 3 像素布局、工作模式和像素结构

2020-03-02 11:50:00 172

Timepix 3 像素布局、工作模式和像素结构

像素布局

Timepix 3Medipix 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=855μm×55μm 像素构成)。超像素示意图和像素地址编码如下:

北京众星联恒科技有限公司

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

14bit TOA + 10bit TOT + 4bit FTOA

14bit TOA + 10bit TOT + 4bit HitCounter

Only TOA

14bit TOA + 10bit Dummy + 4bit FTOA

14bit TOA + 10bit Dummy + 4bit HitCounter

Event Count & Integral TOT

14bit Integral TOT + 10bit HitCounter + 4bit Dummy

14bit Integral TOT + 10bit HitCounter + 4bit HitCounter

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

读出模式

两种读出模式:

l  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。

l  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:

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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

Medipix类似,每个像素包含模拟和数字电路,原理框图如下:

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模拟部分:

l  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)。

l  一个比较器,局部阀值调节bit4bit,基准为全局阀Global

数字部分:

l  计数器Counter

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

l  超像素共用电路 - 高精度时钟(VCO)、像素读出等

l  配置寄存器(Pixel Configuration Register, PCR),6bitTest bit Local Threshold 4bitMask bit

处理流程

1.         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;

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

3.         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。

TOATOT数据的获得:

Timepix 3有两个时钟:

l  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;

l  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:

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6.png

Timepix 3高精度TOA4bit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TOATimepix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:TOATimepix 3值与Timepix不同。Timepix  TOA值基于快门信号,即信号超过阀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。

上述内容由我司Jerry Huang 整理收集,仅用于知识的分享和共同学习,未经过同意不得擅自转载。


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