1. CSN
  2. Всі випуски
  3. Випуск 6, Номер 2, 2024
  4. Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі. Огляд

Логарифмічні аналого-цифрові перетворювачі. Огляд

CSN.
2024;
Випуск 6, Номер 2
: сс. 50-71
https://doi.org/10.23939/csn2024.02.050
Автори:
  1. Ганна Єлісєєва
1
Національний університет «Львівська політехніка», кафедра комп’ютеризованих систем автоматики

У даній роботі проведено огляд логарифмічних аналого-цифрових перетворювачів (ЛАЦП) і здійснено аналіз їх властивостей в динамічному діапазоні вхідних сигналів 80 дБ. Показано, що найвищі метрологічні характеристики мають ЛАЦП на комутованих конденсаторах (КК) з використанням високоякісних аналогових ключів фірм Maxima i Analog Devices, в яких паразитні міжелектродні ємності не перевищують 1 пФ. Розглянуто ЛАЦП різних класів. Послідовні ЛАЦП на КК мають найнижчу швидкодію, їх виконують з перерозподілом або накопиченням заряду (ПЗ або НЗ) у конденсаторних комірках, комутації в яких здійснюють аналоговими ключами; в таких ЛАЦП досягається зменшення похибки перетворення до 0,25% (з урахуванням похибки квантування 0,1%) при часі перетворення не більшому 20 мс. Таку ж швидкодію мають ЛАЦП з імпульсним зворотним зв’язком, похибка перетворення яких практично повністю визначається значенням похибки квантування для значень останньої 0,1% і більше. Інтерполяційні ЛАЦП дають змогу зменшити похибку перетворення нижче 0,1% при часі перетворення порядку сотень мікросекунд. До ЛАЦП середньої швидкодії з часом перетворення 100 мкс і менше належать піддіапазонні, рекурентні та порозрядні, в яких досягається похибка перетворення відповідно 0,005 %, 0,0015% та 0,0015%. ЛАЦП високої швидкодії – паралельні, їх похибка перетворення не перевищує 0,4% при часі перетворення меншому 10 нс.

логарифмічні АЦП
побудова
характеристики
параметри
  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