Timepix 3 像素布局、工作模式和像素結(jié)構(gòu)

像素布局

Timepix 3與Medipix 3相同，像素矩陣也是256 x 256方陣。為了簡化高精度時間戳的實現(xiàn)和像素坐標的獲?。ü庾訐糁形恢茫?/span>256列像素被分為128個雙列，每個雙列又分成64個超像素（SuperPixel，由4×2=8個55μm×55μm 像素構(gòu)成）。超像素示意圖和像素地址編碼如下：

其中EoC_address為雙列地址（128個雙列需要15-9+1=7bit）、SP_address為超像素地址（64個超像素需要8-3+1=6bit）、Pixel_address為像素在超像素中的位置（8個像素需要3bit），總共需要16bit。

工作模式

Timepix 3有三種獲取模式（Acquisition Mode），每種模式又可以分為是否使用高精度時間戳。每種模式的數(shù)據(jù)包格式不同，即28bit計數(shù)器的內(nèi)容和布局不同，如下表：

注：FTOA = Fast TOA精度可達1.56ns，Dummy = 未用到，HitCounter 擊中次數(shù)計數(shù)器

讀出模式

兩種讀出模式：

l  基于幀讀出模式（Frame-based Zero-Suppressed mode），即曝光、讀出、曝光、讀出、……，類似于全幀式CCD相機的工作模式。

l  數(shù)據(jù)（事件）驅(qū)動模式（Data-driven zero-Suppressed mode）：像素被擊中后，立刻將像素坐標和計數(shù)器內(nèi)容從芯片中讀出。

這兩種模式使用相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路讀出數(shù)據(jù)，只是數(shù)據(jù)讀出的時刻不同。數(shù)據(jù)驅(qū)動模式在事件被記錄完成后讀出48bit的數(shù)據(jù)包，而基于幀讀出模式在測量結(jié)束后讀出數(shù)據(jù)。如下圖所示：

從上圖可以看出，Timepix 3測量的開始和結(jié)束是通過“快門”（Shutter）控制的。兩種模式下，都包括16bit的像素地址數(shù)據(jù)。當拼接多個芯片時，通過ChipID來區(qū)分是哪個芯片的數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)

與Medipix類似，每個像素包含模擬和數(shù)字電路，原理框圖如下：

模擬部分：

l  電荷靈敏放大器（Charge Sensitive Amplifier, CSA），反饋電容3fF，增益~50mV/ke^-。CSA采用Krummenacher體系結(jié)構(gòu)，補償探測器泄漏電流?？梢蕴幚碚姾珊拓撾姾桑?/span>Polarity Bit極性比特設(shè)置）。

l  一個比較器，局部閾值調(diào)節(jié)bit為4bit，基準為全局閾Global

數(shù)字部分：

l  計數(shù)器Counter

l  同步和控制邏輯電路（Synchronizer & Clock gating）

l  超像素共用電路 - 高精度時鐘（VCO）、像素讀出等

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

處理流程

1.         像素收集的電荷經(jīng)CSA放大，得到幅度與電荷量相關(guān)的電壓信號，送入比較器；

2.         比較器的比較基準是全局閾值，當信號幅度超過全局閾值時，比較器輸出方波，上升沿是CSA輸出電壓超過閾值的時刻，下降沿是CSA輸出超過閾值后再低于閾值的時刻，也就是說比較器輸出高電平的持續(xù)時間是信號幅度過閾時長（TOT）。

3.         比較器輸出方波的上升沿對應(yīng)的時刻即TOA時間，也是事件計數(shù)的時間基準。

TOA和TOT數(shù)據(jù)的獲得：

Timepix 3有兩個時鐘：

l  40MHz低精度時間戳?xí)r鐘，所有獲取模式都要用到，這個時鐘一直工作；

l  640MHz高精度時鐘，640 = 40×16（周期1.56ns），對應(yīng)4bit高精度計數(shù)器。采用倍頻技術(shù)生成，這個時鐘間歇工作，啟、停時刻如下圖所示：

Timepix 3高精度TOA：4bit高精度時間計數(shù)器（初值為0）累加比較器上升沿和下一個時鐘（40MHz）上升沿的高精度時鐘（頻率640MHz）的脈沖數(shù)。

TOA低精度TOA：Timepix每列都有一個全局TOA時鐘計數(shù)器，這個時鐘計數(shù)器累加從曝光開始后的低精度時鐘（40MHz）的脈沖數(shù)（格雷碼），在比較器脈沖上升沿之后的第一個低精度時鐘脈沖上升沿到來后，從全局TOA時鐘寄存器讀入全局TOA值到像素計數(shù)（14bit）寄存器。

TOA就包括兩個部分：高精度時間戳和低精度時間戳

TOT是比較器高電平持續(xù)期間內(nèi)低精度時鐘脈沖的脈沖數(shù)。

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值與Timepix不同。Timepix  TOA值基于快門信號，即信號超過閾值到測量結(jié)束期間的基準時鐘脈沖數(shù)。Timepix 3 TOA則取自全局格雷碼計數(shù)器。但是，快門信號的上升沿/下降沿的TOA值可通過全局定時器（48bit）獲得。如果測量時間低于14bit-表示范圍*時鐘周期（409.6μs @ 40MHz），就可以保證TOA值無沖突。