1. CSN
  2. All Volumes and Issues
  3. Volume 6, Number 2, 2024
  4. Logarithmic Analog-digital Converters. Review

Logarithmic Analog-digital Converters. Review

CSN.
2024;
Volume 6, Number 2
: pp. 50-71
https://doi.org/10.23939/csn2024.02.050
Authors:
  1. Hanna Yelisieieva
1
Lviv Polytechnic National University, Department of Information Technology Security

In this work, a review of logarithmic analog-to-digital converters (LADCs) was carried out and an analysis of their properties in the dynamic range of input signals of 80 dB was carried out. It is shown that the highest metrological characteristics are obtained by LADCs on switched capacitors (CC) using high-quality analog switches from Maxima and Analog Devices companies, in which parasitic interelectrode capacitances do not exceed 1 pF. LADC of different classes were considered. Serial LADCs on CC have the lowest speed, they are performed with redistribution or accumulation of charge (RC or AC) in capacitor cells, in which switching is carried out with analog switches; in such LADCs, the conversion error can be reduced to 0.25% (taking into account the quantization error of 0.1%) with a conversion time of no more than 20 ms. The same speed has LADC with pulse feedback, the conversion error of which is almost completely determined by the value of the quantization error for values of the last 0.1% and more. Interpolation LADCs make it possible to reduce the conversion error below 0.1% with a conversion time of the order of hundreds of microseconds. Medium-speed LADCs with a conversion time of 100 μs or less include subband, recurrent, and bit-by-bit, which achieve a conversion error of 0.005%, 0.0015%, and 0.0015%, respectively. High-speed LADCs are parallel, their conversion error does not exceed 0.4% with a conversion time of less than 10 ns.

logarithmic ADCs
construction
characteristics
parameters
  1. Cantarano, S., & Pallotino, G. (1973). Logarithmic Analog-to-Digital Converters: A Survey. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 22(3), 201–213. https://doi.org/10.1109/TIM.1973.4314149
  2. Мичуда З. Р. (2000). Аналого-цифрові перетворювачі з логарифмічною характеристикою перетворення. Огляд. Частина 1. Вимірювальна техніка та метрологія : міжвідомчий науково-технічний збірник, (56), 94–100. https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/11281
  3. Мичуда, З. Р. (2000). Аналого-цифрові перетворювачі з логарифмічною характеристикою перетворення. Огляд. Частина 1. Вимірювальна техніка та метрологія : міжвідомчий науково-технічний збірник, (56), 94–100. https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/11281
  4. Мичуда, З. (2002). Логарифмічні Аналого-Цифрові Перетворювачі – АЦП майбутнього. Простір,242.
  5. Andreotti, J.-P.   (1985).   Les   convertisseurs   logarithmiques   pour   les   signaux   a   large   plaqe   de variations. Electronique Industrielle. Paris, (96), 65–72.
  6. Тесленко,    В.,    &    Циделко,     В.     (1976). Логарифмический     аналого-цифровой преобразователь (Авторське свідоцтво СССР № 498735, Бюл.1). https://patents.su/2-498735-logarifmicheskijj-   analogo-cifrovojj-preobrazovatel.html#text
  7. Тесленко,   В.,   &    Циделко,    В.    (1977). Логарифмический    аналого-цифровой преобразователь (Авторське свідоцтво СССР № 547785, Бюл.7). https://patents.su/4-547785-logarifmicheskijj-   analogovo-cifrovojj-preobrazovatel.html
  8. Тесленко, В., & Циделко, В. (1976). Логарифмический преобразователь (Авторське свідоцтво СССР № 512475, Бюл.16). https://patents.su/3-512475-logarifmicheskijj-preobrazovatel.html
  9. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Католик, Б. (2004). Логарифмічні АЦП з перерозподілом заряду заряду. Моделювання впливу паразитних міжелектродних ємностей. Збірник наукових праць “Комп’ютерні технології друкарства”, (11), 167–183.
  10. Католик, Б., Ільканич, К., Мичуда, З. & Мичуда, Л. (2004). Оцінка динамічних властивостей логарифмічних АЦП на комутованих конденсаторах. Сборник научных трудов Национального горного университета, Дніпропетровськ, 19(2), 135–143.
  11. Мичуда, З., & Мичуда, Л. (2005). Моделювання впливу струмів витікання в логарифмічних АЦП з перерозподілом  заряду. Вісник  НУЛП  -  Теплоенергетика.  Інженерія  довкілля.  Автоматизація,  (537),  103– https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/47445
  12. Мичуда, З., Мичуда, Л., Коструба, О., & Ільканич, К. (2005). Оцінка точності логарифмічних АЦП на комутованих конденсаторах. Вісник Черкаського державного технологічного університету, (3), 181–184.
  13. Мичуда, З., Мичуда, Л., Католик, Б., & Коструба, О. (2006). Підвищення точності та швидкодії логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів. Вісник Черкаського державного технологічного університету, 203–205.
  14. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Єлісєєва, Г. (2018). Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі. Основа     логарифму. Вісник     НУЛП     -     Автоматика,     вимірювання     та     керування,     (907),     19–https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/46939
  15. Мичуда, З., Мичуда, Л., Єлісєєва, Г., & Юськів, Б. (2019). Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі із змінною основою логарифму. Вибір основи. Науковий журнал - Automation, Measuring and Management / Автоматика, вимірювання та керування, 1(1), 7–18. https://vlp.com.ua/taxonomy/term/3690
  16. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Коструба, О. (2004). Моделювання впливу струмів витікання в логарифмічних АЦП з накопиченням заряду в активних конденсаторних комірках. Збірник наукових праць “Комп’ютерні технології друкарства”, (11), 183–190.
  17. Мичуда, З. (2004). Моделювання впливу струмів витікання в логарифмічних АЦП з накопиченням заряду на паралельних пасивних конденсаторних комірках. Вісник Національного університету “Львівська політехніка” - Автоматика, вимірювання та керування, (500), 57–61. https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/11364
  18. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Антонів, У. (2008). Моделювання впливу паразитних міжелектродних ємностей в логарифмічних АЦП  з  накопиченням  заряду  на  послідовних  пасивних  конденсаторних комірках. Вісник     НУЛП     -     Теплоенергетика.     Інженерія     довкілля.     Автоматизація,     (617),     163–170.   https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/6300
  19. Мичуда, З., & Антонів, У. (2009). Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі з накопиченням заряду.   Огляд.   Частина   1. Вісник   НУЛП   -   Автоматика,   вимірювання   та   керування,   (639),   37–44. https://vlp.com.ua/files/05_4.pdf
  20. Мичуда, З., & Антонів, У. (2010). Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі з накопиченням заряду.   Огляд.   Частина   2. Вісник   НУЛП   -   Автоматика,   вимірювання   та   керування,   (665),   3–https://vlp.com.ua/taxonomy/term/3129
  21. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Антонів, У. (2014). Оцінювання динамічних властивостей логарифмічних АЦП з накопиченням заряду на послідовних пасивних конденсаторних комірках. Вісник НУЛП - Автоматика, вимірювання та керування, (802), 37–44. https://vlp.com.ua/taxonomy/term/3359
  22. Антонів, У., & Мичуда, З. (2015). Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі з накопиченням заряду. Сучасний стан і перспективи розвитку. Вісник НУЛП - Автоматика, вимірювання та керування, (821), 40–43.    https://vlp.com.ua/taxonomy/term/3393
  23. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Антонів, У. (2016). Логарифмічні АЦП з накопиченням заряду на послідовних пасивних конденсаторних комірках. Частина 1. Вісник НУЛП - Автоматика, вимірювання та керування, (852), 62–68. https://vlp.com.ua/node/16664
  24. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Антонів, У. (2017). Логарифмічні АЦП з накопиченням заряду на послідовних пасивних конденсаторних комірках. Частина 2. Вісник НУЛП - Автоматика, вимірювання та керування, (880), 9–17. https://vlp.com.ua/taxonomy/term/3523
  25. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Антонів, У. (2011). Моделювання впливу струмів витікання в логарифмічних АЦП з накопиченням заряду з імпульсним від’ємним зворотним зв’язком. Вісник Вінницького політехнічного інституту, 98(5), 164-166. https://visnyk.vntu.edu.ua/index.php/visnyk/article/view/1543
  26. Antoniw, U., Myczuda, Ł., Myczuda, Z., & Szczesniak, A. (2013). Logarytmiczne przetworniki analogowo- cyfrowe z nagromadzeniem ładunku i impulsowym sprzężeniem zwrotnym. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), (8), 277–281.
  27. Mychuda, Z., Mychuda, L., Antoniv, U., & Szczesniak, A. (2021). Logarithmic ADC with accumulation of charge and impulse feedback – construction, principle of operation and dynamic properties. International Journal of Electronics and Telecommunications, 67(4), 699–704. https://doi.org/10.24425/ijet.2021.137865
  28. Mychuda, Z., Mychuda, L., Antoniv, U., & Szczesniak, A. (2021). Logarithmic ADC with accumulation of charge and impulse feedback – analysis and modeling. International Journal of  Electronics  and Telecommunications, 67(4), 705–710. https://doi.org/10.24425/ijet.2021.137866
  29. Мичуда, З., & Католик, Б. (2006). Інтерполяційні логарифмічні АЦП з накопиченням заряду. Збірник наукових праць “Комп’ютерні технології друкарства”, (16), 145–155.
  30. Мичуда, З., & Католик, Б. (2007). Інтерполяційні аналого-цифрові перетворювачі з логарифмічною характеристикою перетворення. Огляд. Частина 1. Вісник НУЛП - Автоматика, вимірювання та керування, (574), 10–18. https://vlp.com.ua/files/02_2.pdf
  31. Мичуда, З., & Католик, Б. (2008). Інтерполяційні аналого-цифрові перетворювачі з логарифмічною характеристикою перетворення. Огляд. Частина 1. Вісник НУЛП - Автоматика, вимірювання та керування, (608), 48–52. https://vlp.com.ua/files/07_3.pdf
  32. Mychuda, L.  (2019).  Theory  and  Practice  of  Analog-to-Digital  Functional  Converters  on  Switched Capacitors. (p. 40). Lviv Polytechnic National University, Ministry of Education and Science of Ukraine.
  33. Мичуда, З.  (2001). Спосіб  логарифмічного   аналого-цифрового  перетворення (Патент  України № 43364).       Державний         департамент          інтелектуальної           власності.    https://ua.patents.su/11-43364-sposib-   logarifmichnogo-analogo-cifrovogo-peretvorennya.html?do=all
  34. Мичуда, З., Ільканич, К., & Мичуда, Л. (2004). Новий метод логарифмічного  аналого-цифрового перетворення. Збірник наукових праць “Комп’ютерні технології друкарства”, (12), 220–224.
  35. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Єлісєєва, Г. (2020). Визначення параметрів рекурентних логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів. Науковий журнал - Automation, Measuring and Management / Автоматика, вимірювання та керування, 2(1), 9–18. https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/57543
  36. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Єлісєєва, Г. (2021). Cпрощення реалізації та підвищення точності рекурентних логарифмічних АЦП. Збірник наукових праць “Комп’ютерні технології друкарства”, 45(1), 33– 43.    https://doi.org/10.32403/2411-9210-2021-1-45-33-43
  37. Mychuda, Z., Yelisieieva, H., & Szcześniak, Z. (2022). Features of implementation of recurrent logarithmic ADCs. Міжвідомчий науково-технічний збірник «Вимірювальна техніка та метрологія»  /  «Measuring Equipment and Metrology», 83(4), 5–10. https://doi.org/10.23939/istcmtm2022.04.005
  38. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Єлісєєва, Г. (2023). Моделювання впливу струмів витікання компонентів на точність рекурентних ЛАЦП. Науковий журнал «Computer System and Network / Комп’ютерні системи та мережі», 5(1), 72–78. https://doi.org/10.23939/csn2023.01.072
  39. Мичуда, З., Мичуда, Л., & Єлісєєва, Г. (2024). Рекурентні логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі з постійною основою логарифму. Науковий журнал «Computer System and Network / Комп’ютерні системи та мережі», 6(1), 148–154. https://doi.org/10.23939/csn2024.01.148
  40. Myczuda, Z. Logarytmiczny przetwornik analogowo-cyfrowy (Patent Polska № 232384B1).
  41. Szcześniak, A., & Myczuda, Z. (2010). A method of charge accumulation in the logarithmic analog-to- digital converter with a successive approximation. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), (10), 336–340.        https://www.sigma-not.pl/publikacja-55210-a-method-of-charge-accumulation-in-the-logarithmic-analog-   todigital-converter-with-a-successive-approximation-przeglad-elektrotechniczny-2010-10.html
  42. SZCZEŚNIAK, A.,  &  MYCZUDA, Z.  (2012).  Analiza  prądów  upływu  logarytmicznego  przetwornika analogowo-cyfrowego z sukcesywną aproksymacją. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), (5a), 247–250.        https://www.sigma-not.pl/publikacja-67805-analiza-pradów-upływu-logarytmicznego-przetwornika-   analogowo-cyfrowego-z-sukcesywna-aproksymacja-przeglad-elektrotechniczny-2012-5a.html
  43. Myczuda, Z., & Szcześniak, A. (2017). Analiza logarytmicznego analogowo-cyfrowego przetwornika z sukcesywną aproksymacją z uwzglednieniem pasożytniczych pojemności. Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, 7(2), 110–114. https://doi.org/10.5604/01.3001.0010.4851
  44. Mychuda, Z., Zhuravel, I., Mychuda, L., Szcześniak, A., Szcześniak, Z., & Yelisieieva, H. (2022). Mathematical Modelling of the Influence of Parasitic Capacitances of the Components of the Logarithmic Analogue-to- Digital Converter (LADC) with a Successive Approximation on Switched Capacitors for Increasing Accuracy of Conversion. Electronics, 11(9), 1485. https://doi.org/10.3390/electronics11091485 Special Issue: https://www.mdpi.com/journal/electronics/special_issues/AADDAC_electronics
  45. Мичуда, З.,   Куземко, О.,   &   Коструба, О.   (2007). Паралельний    аналого-цифровий перетворювач (Патент      України      № 80691).      Державний      департамент      інтелектуальної власності.       https://ua.patents.su/3-80691-paralelnijj-analogo-cifrovijj-peretvoryuvach.html
  46. Jongwoo Lee, Joshua Kang, Sunghyun Park, Jae-sun Seo, Jens Anders, Jorge Guilherme, Michael P. Flynn (2009). A 2.5 mW 80 dB DR 36 dB SNDR 22 MS/s Logarithmic Pipeline ADC. IEEE JOURNAL OF SOLID- STATE CIRCUITS,, 44(10), 2755–2765. https://doi.org/10.1109/JSSC.2009.2028052
  47. Jorge Guilherme & Jose Franca. (1995). New CMOS Logarithmic A/D Converters Employing Pipeline and Algorithmic Architectures. IEEE, 95(2), 529–532. https://doi.org/10.1109/ISCAS.1995.521567
  48. Jorge Guilherme, J. Vital & Jose Franca. (2002). A CMOS Logarithmic Pipeline A/D Converter with a Dynamic Range of 80 dB. IEEE, 02(3), 193–196. https://doi.org/10.1109/ICECS.2002.1045366
  49. S. Sirimasakul, A. Thanachayanont & W. Jeamsaksiri. (2009). Low-Power Current-Mode Logarithmic Pipeline    Analog-to-Digital    Converter    for    ISFET    based    pH     Sensor. IEEE     ISCIT, 09(6),     1340– 1343.    https://doi.org/10.1109/ISCIT.2009.5341061
  50. J.  Sit  &  R.  Sarpeshkar.  (2004).  A  Micropower  Logarithmic  A/D  with  Offset  and  Temperature Compensation. IEEE J. Solid-State Circuits, (2), 308–319. https://doi.org/10.1109/JSSC.2003.821777
  51. Jongwoo Lee, Hyo-Gyuem Rhew, Daryl R. Kipke & Michael P. Flynn. (2010). A 64 Channel Programmable Closed-Loop Neurostimulator with 8 Channel Neural Amplifier and Logarithmic ADC. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 45(9), 1935–1945. https://doi.org/10.1109/JSSC.2010.2052403
  52. Jongwoo Lee. (2008). A Closed-Loop deep brain  stimulation  device  with  a  logarithmic  pipeline ADC [Автореф.  A  dissertation  for  the  degree  of  PhD  in  the  University  of  Michigan,  University  of Michigan].     https://deepblue.lib.umich.edu/handle/2027.42/60733
  53. Francesconi, F., & Maloberti, F. (1996). A low power logarithmic A/D converter. У Circuits and Systems Connecting the World (с. 473–476). https://doi.org/10.1109/ISCAS.1996.539987
  54. Rudy Van de Plassche. (1994). Integrated Analog-To-Digital and Digital-To-Analog Converters. У The Springer    International    Series    in     Engineering     and     Computer     Science (264-те     вид.,     с. 7–1–7– 35).    https://doi.org/10.1007/978-1-4615-2748-0
  55. Liang, Y, Li, C, Liu, S & Zhu, Z. (2022). A 14-b 20-MS/s 78.8 dB-SNDR Energy-Efficient SAR ADC With Background Mismatch Calibration and Noise-Reduction Techniques for Portable Medical Ultrasound Systems. IEEE TBioCAS. IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., 16(2), 200–210. https://doi.org/10.1109/TBCAS.2022.3147954
  56. Oh, D.R, Seo, M.J & Ryu, S.T. (2022). A 7-Bit Two-Step Flash ADC With Sample-and-Hold Sharing Technique. IEEE J. Solid-State Circuits, (57), 2791–2801. https://doi.org/10.1109/JSSC.2022.3159569
  57. Yi, P, Liang, Y, Liu, S, Xu, N, Fang, L & Hao, Y. (2021). A 625kHz-BW, 79.3dB-SNDR Second-Order Noise-Shaping SAR ADC Using High-Efficiency Error-Feedback Structure. IEEE Trans. Circuits Syst. II Express Briefs, 69(3), 859–863. https://doi.org/10.1109/TCSII.2021.3121245
  58. Ballo, A, Grasso, A.D & Palumbo, G. (2020). A simple and effective design strategy to increase power conversion     efficiency     of     linear     charge     pumps. Int.      J.      Circuit      Theory      Appl,      (48),      157– 161. https://doi.org/10.1002/cta.2704
  59. Ballo, A, Grasso, A.D, Palumbo, G & Tanzawa, T. (2021). Charge Pumps for Ultra-Low-Power Applications: Analysis, Design, and New Solutions. IEEE  Trans.  Circuits  Syst.  II  Express  Briefs, 68(8),  2895– 2901.    https://doi.org/10.1109/TCSII.2021.3070889
  60. Pagin, M., & Ortmanns, M. (2017). Evaluation of logarithmic vs. linear ADCs for neural signal acquisition and reconstruction. . In Proceedings of the 39th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 4387–4390. https://doi.org/10.1109/embc.2017.8037828