Progettazione di un ASIC di pilotaggio di una matrice di PMUT per applicazioni ultrasoniche in aria.

This thesis describes the design of the driving application specific integrated circuit (ASIC) for a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (PMUT) matrix used in an in-air ultrasonic rangefinder with beamforming capabilities. The research begins with an analysis of the target application and a comparison with the solutions currently available. It continues with the experimental characterization of the selected transducer, analysing the features influencing the design of the ASIC. Based on these results, a high level description of the required ASIC architecture is derived, to meet the application requirements. It proceeds with a more detailed analysis of each functional block starting with an in-depth review of the PMUT driving stage, including the necessary surrounding circuits. Then, it continues reviewing the circuits along the signal path, going from the transducer to the digitization and memorization of the waveform. The designed ASIC can independently drive each element within the PMUT matrix, sense the received signal, and process it. The architecture also provides significant flexibility, enabling the use of the final sensor in various applications.

Questa tesi descrive la progettazione di un circuito integrato per applicazioni specifiche (ASIC) per un trasduttore ultrasonico piezoelettrico microlavorato (PMUT) a matrice, utilizzato in un distanziometro ultrasonico in aria con capacità di beamforming. La ricerca inizia con un'analisi dell'applicazione target e un confronto con le soluzioni attualmente disponibili. Prosegue con la caratterizzazione sperimentale del trasduttore selezionato, analizzandone le caratteristiche che influenzano la progettazione dell'ASIC. Sulla base di questi risultati, viene derivata una descrizione ad alto livello dell'architettura ASIC richiesta per soddisfare i requisiti dell'applicazione. Si procede con un'analisi più dettagliata di ciascun blocco funzionale, partendo da una revisione approfondita dello stadio di pilotaggio del PMUT, inclusi i circuiti circostanti necessari per il suo corretto funzionamento. Successivamente, si analizzano gli elementi lungo il percorso del segnale, dal trasduttore alla digitalizzazione e memorizzazione della forma d'onda. L'ASIC progettato è in grado di pilotare indipendentemente ciascun elemento all'interno della matrice PMUT, rilevare il segnale di ritorno e processarlo. L'architettura offre inoltre una notevole flessibilità, consentendo l'utilizzo del sensore finale in diverse applicazioni.