Master's Thesis

Design of a current sensing circuit for a piezoelectric transducer

Final Thesis 29.17 MB

Author of thesis: Bc. Vojtěch Stojaspal

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Reviewer: Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Abstract:

The thesis focuses on the design of a current sensing circuit for a piezoelectric transducer used in ultrasonic sensors. The current is sensed via the voltage drop across a shunt resistor and then amplified by a sensing amplifier and converted into a differential signal suitable for further processing by the ADC driver. The core of the sensing amplifier consists of a fully differential amplifier (FDA) featuring a switchable low-pass filter integrated inside feedback with a bandwidth range of 1.25–10 MHz, designed to suppress higher-order harmonic modes. The entire circuit is designed in onsemi’s BCD65 technology for a supply voltage of 2.5 V ±10 % and an operating temperature range from -40 °C to 175 °C. The FDA together with the sensing amplifier are characterized using corner analyses and statistical PVTMC (Process, Voltage, Temperature, Monte Carlo) simulations at a 5σ confidence level. The work includes the circuit layout design and integrity verification via post-layout simulations. Finally, the resulting sensing amplifier is simulated in the application schematic of the diagnostic circuit with the used piezoelectric transducer models and the ADC driver.

Keywords:

Piezoelectric transducer, FDA (Fully Differential operational Amplifier), folded cascode, class-AB output stage, sensing amplifier, switchable low-pass filter

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Kde je vstup na zapojení výstupního stupně? Je součástí bloku folded cascode. Jaký je frekvenční rozsah vstupního signálu? Až 69 MHz. K čemu konkrétně slouží měření proudu piezo měničem? Obvod slouží jako diagnostika například pro detekci poškození měniče. Proč je piezo měnič buzen obdelníkovým signálem namísto sinusového? Bylo to tak zadáno firmou.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
doc. Ing. František Urban, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. (člen)
RNDr. Ladislav Mareček, CSc. (člen)
doc. Ing. et Ing. Pavel Šteffan, Ph.D. (člen)
Ing. Josef Skácel, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího je založen na vyjádření odborného konzultanta doc. Dr. Ing. Pavla Horského.

Cílem diplomové práce bylo navrhnout obvod pro snímání proudu piezoelektrického měniče, realizovat jeho návrh na úrovni schématu i layoutu a ověřit jeho funkci pomocí simulací včetně post‑layout verifikace. Práce se zabývá návrhem jednotlivých bloků obvodu, jejich integrací a analýzou dosažených parametrů.

Student zpracoval diplomovou práci na velmi dobré úrovni a prokázal schopnost samostatné systematické práce. K řešení přistupoval aktivně, průběžně konzultoval a dokázal efektivně zapracovat připomínky. Veškerou potřebnou teorii si samostatně a pečlivě nastudoval a následně ji správně aplikoval při návrhu řešeného obvodu.

V rámci práce student úspěšně zvládl kompletní návrhový proces v prostředí Cadence Virtuoso, včetně vytvoření layoutu a provedení post‑layout (back‑anotovaných) simulací. Dosažené výsledky potvrzují správnost zvoleného návrhového postupu a odpovídají požadavkům zadání. Oceňuji zejména samostatnost studenta, systematický přístup a schopnost dovést návrh až do fáze layoutu a post-layout simulací.

Po technické i formální stránce je práce zpracována kvalitně a splňuje požadavky kladené na diplomovou práci.

Na základě výše uvedeného navrhuji hodnocení 100 bodů. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Roman Prokop, Ph.D.

    Diplomová práce se zabývá snímáním proudu piezoelektrického měniče, a především návrhem vstupního obvodu měřicího řetězce na mikroelektronické úrovni. Student se musel zabývat technikami pro snížení napěťové nesymetrie zesilovačů i prací s nízkým napájecím napětím, tedy s výzvami, které přináší práce v moderních sub-mikronových technologiích.
    Po odborné stránce a z hlediska rozsahu nemám k práci žádné připomínky. Student prokázal poměrně výrazné znalosti a pochopení problematiky. Zároveň musel předvést dobrou práci s profesionálními programovými nástroji pro návrh integrovaných obvodů a zcela jistě také odvedl velké množství časově náročné práce.  Zadání bylo tedy splněno bez jakýchkoliv výhrad. Výsledkem je finální schéma obvodu, při jehož verifikaci student vhodně a dostatečně použil velké množství dostupných programových nástrojů a relevantních analýz, poukazujících na správnost a robustnost řešení. Navíc také zpracoval layout navrženého obvodu FDA.
   Výsledky práce jsou jasně shrnuty a parametry obvodu a jednotlivých prvků jsou prezentovány v přehledných tabulkách.
    Výhrady by se daly najít nejspíše k textové části, kde například popis funkce a stanovení parametrů zesilovače působí trochu nepřehledně a nezlepšují to ani drobné nepřesnosti a nesouslednost. Např. rovnice 1.7 počítá s odporem R1A = 8k, aby teprve v následném odstavci byla byl jeho hodnota „odhadnuta“, když navíc v referovaném schématu na obr. 1.2 odpor s takovým názvem neexistuje.  Student se nevyvaroval ani drobným překlepům (stupěň – obr. 33 a kap. 3.2) a výjimečně i trochu jazykově kostrbatějším vyjádřením, avšak v míře spíše zanedbatelné.
   Přestože někdy mohou být v tomto oboru české překlady i matoucí, tak například pro „folded cascode“ je již český ekvivalent vcelku ustálený.  Zvláště když potom názvy kapitol 3.1.2 a 3.1.3 působí jako z anglicky psané práce. Přitom v dalším textu se běžně používá pojmenování „kaskóda“.
    Literatura, z velké části také z internetových zdrojů, byla vhodně zvolena i citována.
     Vzhledem k tomu, že se jedná o poměrně komplexní a po technické stránce vzorně odvedené dílo, dovoluji si, i s přihlédnutím k drobným formálním nedokonalostem, navrhnout hodnocení této práce na výborně – 96 b. Topics for thesis defence:
  1. 1. Jak byste jinak popsal použitý, ale dle mého názoru méně používaný, termín „frekvenční vid“?
  2. 2. Zde si dovolím menší akademické rýpnutí. V abstraktu se píše, že: „FDA s přepínatelnou dolní propustí ……… ve zpětné vazbě, určenou pro potlačení vyšších frekvenčních vidů“. Opravdu DP ve ZV potlačí vf přenos zesilovače?
  3. 3. Proč se v onsemi používá „přesnost“ právě 5 sigma, když se dnes v této souvislosti mluví převážně o 6 sigma? A co to vlastně znamená?
Points proposed by reviewer: 96

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová