roku przez prof. Yoshio Yamasaki z Uni-

wersytetu Waseda. Praktyczne wykorzy-

stanie za³o¿eñ teorii przyœpieszy³o pojawie-

nie siê na rynku nowych noœników cyfrowe-

go dŸwiêku o znacznie wiêkszej pojemno-

œci ni¿ konwencjonalna p³yta kompaktowa ,

wykorzystuj¹cych promieniowanie laserowe

o du¿o mniejszej d³ugoœci fali. Nast¹pi³a

te¿ poprawa parametrów ”szybkoœciowych”

noœników. Pojawi³y siê nowe urz¹dzenia

zapisuj¹ce i odtwarzaj¹ce dŸwiêk o parame-

trach du¿o lepszych ni¿ p³yty CD. Du¿¹ ro-

lê odegra³y te¿ rosn¹ce wymagania mi³oœni-

ków muzyki i audiofili, do spe³nienia których

potrzebne by³o stworzenie sprzêtu zdolne-

go do odtwarzania dŸwiêków o czêstotli-

woœciach a¿ do 100 kHz przy zakresie dy-

namiki przekraczaj¹cym 100 dB.

Przy produkcji konwencjonalnej p³yty kom-

paktowej przetwarza siê sygna³y analogowe

na cyfrowe z czêstotliwoœci¹ próbkowania

44,1 kHz. Powoduje to ograniczenie pa-

sma odtwarzanych przez ni¹ czêstotliwoœci

do ok. 20 kHz (czyli teoretycznie do warto-

œci równej po³owie czêstotliwoœci próbkowa-

nia). Ponadto kwantyzacja 16-bitowa po-

woduje znaczne ograniczenie dynamiki od-

twarzanego dŸwiêku. Wszystkie te wady

p³yty kompaktowej zosta³y natychmiast po

jej pojawieniu siê na rynku dostrze¿one

przez audiofili, którzy krytykuj¹c dŸwiêk

z p³yty CD za brak g³êbi i wyrafinowania, wo-

38

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 9/2001

Naturalny, czysty

dŸwiêk, pozbawiony

zniekszta³ceñ, szerokie

pasmo czêstotliwoœci

i zakres dynamiki,

jednoczeœnie wysoka

sprawnoϾ,

tak w skrócie mo¿na

wyliczyæ g³ówne

zalety wzmacniacza

1-bitowego.

WZMACNIACZ 1-BITOWY

FIRMY SHARP

Z

a³o¿enia teorii prze-

twarzania sygna³u 1-

bitowego na zasadzie

”64fs/1bit” zosta³y

przedstawione przez

firmê Sharp po raz

pierwszy w 1995 roku

na konferencji zrze-

szenia japoñskich producentów sprzêtu au-

dio (Japan Audio Association), podczas

której omawiano cyfrowe formaty zapisu

i odtwarzania dŸwiêku nowej generacji. Tê

teoriê przetwarznia 1-bitowego z wykorzy-

staniem czêstotliwoœci próbkowania rów-

nej 64-krotnej wartoœci czêstotliwoœci stoso-

wanej przy produkcji standardowych p³yt

CD (44,1 kHz) opracowano w trakcie prac

badawczych rozpoczêtych jeszcze w 1990

Rys. 1. Próbkowanie sygna³u w przypadku: p³yty CD, p³yty DVD-Audio, wzmacniacza 1-bitowego, p³yty SACD

(Super Audio)

Wzmacniacz SM-SX100

DANE TECHNICZNE

Sekcja wzmacniacza mocy

Moc wyjœciowa

(10

÷

20 kHz, oba kana³y wyster. 8

Ω

)

2 x 100 W

(10

÷

20 kHz, oba kana³y wyster. 4

Ω

) 2 x 100 W

Pasmo przenoszenia

(

±

1 dB)

5 Hz

÷

20 kHz

(

±

3 dB)

5 Hz

÷

100 kHz

Zniekszta³cenia ca³kowite

(1 kHz, 1 W)

0,02%

Sekcja przedwzmacniacza

Czu³oœæ

(wejœcie analogowe, 1 kHz, 100 W) 350 mV/50 k

Ω

Zakres dynamiki (5 Hz

÷

20 kHz)

105 dB

Inne dane

Czêstotliwoœæ próbkowania

2,8224 MHz (64 fs, fs = 44,1 kHz)

Czêstotliwoœæ zegara nadrzêdnego

5,6448 MHz (128 fs, fs= 44,1 kHz)

Filtr dolnoprzepustowy typu Butterwortha

Konwersja sygna³u wielobitowego

na 1-bitowy

32/44,1/48 kHz

Wymiary

472 x89 x462 mm

Masa

18,5 kg

39

leli nadal s³uchaæ muzyki z p³yt winylowych

odtwarzaj¹cych dŸwiêk choæ o mniejszej

dynamice, to jednak w paœmie rozci¹gaj¹-

cym siê a¿ do 40 kHz, a wiêc dwukrotnie

szerszym ni¿ pasmo p³yty CD.

Podstawow¹ metod¹ kodowania sygna³ów

analogowych jest modulacja PCM (modula-

cja kodowo-impulsowa), wykorzystywana

przy produkcji p³yt CD. Oryginalny sygna³

analogowy jest próbkowany z czêstotliwo-

œci¹ dwukrotnie wiêksz¹ ni¿ szerokoœæ prze-

twarzanego pasma, a nastêpnie przetwarza-

ny w ci¹g sygna³ów kodowanych w spo-

sób wielobitowy. W tego rodzaju modulacji

czêstotliwoœæ próbkowania okreœla szero-

koœæ pasma, zaœ liczba bitów kwantyzacji

okreœla zakres dynamiki.

Drugim rodzajem techniki kodowania sy-

gna³ów analogowych jest modulacja delta-

sigma. Wykorzystano w niej czêstotliwoœæ

próbkowania 64-krotnie wiêksz¹ ni¿ czê-

stotliwoœæ próbkowania stosowan¹ w modu-

lacji PCM, tj. równ¹ 2,8224 MHz (rys.1),

gwarantuj¹c¹ uzyskanie teoretycznego za-

kresu dynamiki 120 dB. Oprócz tego, modu-

lacja delta-sigma wykorzystuj¹c technikê

”kszta³towania szumów” (noise shaping)

przesuwa szumy kwantyzacji w zakres wiel-

kich czêstotliwoœci. Niezale¿nie od tego

przetwarzane sygna³y s¹ formowane w sy-

gna³y 1-bitowe. St¹d te¿ technika ta jest

okreœlana terminem ”

∆Σ

a/c i 1-bit a/c” (rys.

2) i jest szeroko stosowana w praktyce

w wielu typach urz¹dzeñ przetwarzania

analogowo-cyfrowego.

Ró¿nica miêdzy zakodowanymi sygna³ami

wielobitowymi i 1-bitowymi polega na tym, ¿e

w pierwszym przypadku sygna³y wielobito-

we opisuj¹ próbkê (wartoœæ amplitudy sy-

gna³u) jako wartoœæ bezwzglêdn¹, zaœ

w drugim sygna³y 1-bitowe rejestruj¹ tylko

zmianê (fluktuacjê) wartoœci tej próbki w sto-

sunku do wartoœci zapisanej poprzednio.

Podczas, gdy wszystkie sygna³y wielobito-

we musz¹ byæ przekszta³cane na sygna³y

analogowe w przetworniku c/a przed stop-

niem koñcowym steruj¹cym g³oœnikami, to

sygna³y 1-bitowe wymagaj¹ to tego celu

tylko nieskomplikowanego procesu, co czy-

ni je podobnymi do sygna³ów analogowych.

Stopieñ wydzielaj¹cy w trakcie odtwarzania

p³yty sygna³ analogowy z sygna³u 1-bitowe-

go zawiera tylko analogowy filtr dolnoprze-

pustowy (rys. 3) i jest pozbawiony uk³adów

powoduj¹cych zniekszta³cenia odtwarza-

nego dŸwiêku.

Przetworniki delta-sigma oraz sygna³y

1-bitowe s¹ te¿ wykorzystywane w uk³a-

dach modulacji PCM (rys. 4), jednak uk³ady

te wymagaj¹ stosowania zarówno w torze

zapisu jak i odtwarzania p³yty wiêkszej licz-

by stopni (w tym dodatkowego przetworni-

ka c/a w torze odczytu) zniekszta³caj¹cych

dŸwiêk, a wielobitowe sygna³y cyfrowe mo-

duluj¹ sygna³ analogowy. Na dŸwiêk uzyski-

wany z uk³adów 1-bitowych nie maj¹ wp³y-

wu fluktuacje sygna³u ani szumy w torze

transmisji sygna³u.

Cyfrowy rynek audio rozwija siê dynamicz-

nie. S¹ opracowywane i wprowadzane do

produkcji noœniki dŸwiêku nowej generacji.

P³yty SACD (Super Audio) i DVD-Audio s¹

w stanie odtwarzaæ dŸwiêk oryginalny z do-

k³adnoœci¹ kilkakrotnie wiêksz¹ ni¿ p³yty

POZNAJEMY SPRZÊT

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 9/2001

CD. Do odtwarzania dŸwiêku pochodz¹ce-

go z tych w³aœnie noœników (i nie tylko)

Sharp przeznaczy³ swój wzmacniacz 1-bito-

wy, pokazany po raz pierwszy w Japonii na

Audio Expo w listopadzie 1998 roku. Od

tego czasu firma ta wprowadzi³a w nim wie-

le udoskonaleñ maj¹cych na celu popra-

wienie jakoœci reprodukowanego dŸwiêku.

Obecnie Sharp montuje wzmacniacze

1-bitowe nawet w zestawach wie¿owych.

Wzmacniacz SM-SX100

Jednak sztandarowym produktem tej firmy

jest wzmacniacz SM-SX100 odznaczaj¹cy

siê szerokim pasmem przenoszonych czê-

stotliwoœci, szerokim zakresem dynamiki

oraz wysok¹ precyzj¹ odtwarzania chwilo-

wych sygna³ów o du¿ej amplitudzie. Sche-

mat blokowy tego wzmacniacza przedstawio-

no na rys 5. Umo¿liwia on odtwarzanie za-

równo sygna³ów analogowych, jak i cyfro-

wych zarejestrowanych za pomoc¹ modula-

cji PWM oraz sygna³ów 1-bitowych, np. z p³yt

SACD. Do odtwarzania tych ostatnich wyko-

rzystano osobne, bezpoœrednie wejœcie.

W konstrukcji stopnia koñcowego wzmacnia-

cza zastosowano dobrze znan¹ w konwen-

cjonalnych wzmacniaczach, klasê D.

Wzmacnianie sygna³u we wzmacniaczach

pracuj¹cych w klasie D polega na sterowa-

niu czasem przewodzenia tranzystorów stop-

nia mocy za pomoc¹ napiêcia o stosunkowo

du¿ej i sta³ej wartoœci, przy czym wykorzystu-

je siê do tego celu modulacjê PWM (modu-

lacja szerokoœci impulsu). Sharp w swojej

adaptacji wzmacniacza klasy D zast¹pi³

sygna³y PWM sygna³ami 1-bitowymi steru-

Rys. 2. Ilustracja zasady modulacji typu delta-sigma

Rys. 3. Modulacja wielobitowa PCM - przetwarzanie a/c-c/a

Rys. 4. Modulacja delta-sigma – przetwarzanie 1-bitowe a/c–c/a

j¹cymi prze³¹czaniem tranzystorów z precy-

zj¹ stabilizatora kwarcowego. Sercem

wzmacniacza jest specjalny, nowo opraco-

wany uk³ad scalony LSI ”dynamicznego

sprzê¿enia delta-sigma”. Wszystkie fluktua-

cje napiêcia na wyjœciu uk³adu prze³¹czaj¹-

cego s¹ przekazywane pêtl¹ sprzê¿enia

zwrotnego i s¹ wykorzystywane do korekcji

w czasie rzeczywistym steruj¹cego sygna-

³u 1-bitowego. Dok³adne odwzorowanie sy-

gna³u Ÿród³a i szeroki zakres dynamiki z prze-

suniêciem szumów kwantyzacji daleko po-

za zakres czêstotliwoœci s³yszalnych uzy-

skuje siê dziêki zastosowaniu modulacji

siódmego rzêdu delta-sigma z próbkowa-

niem z czêstotliwoœci¹ 2,8224 MHz (64 fs).

Sygna³ 1-bitowy z wyjœcia uk³adu scalonego

steruje uk³adem prze³¹czaj¹cym. Wzmocnio-

ny sygna³ (nadal cyfrowy) z wyjœcia uk³adu

prze³¹czaj¹cego jest poddawany procesowi

demodulacji w filtrze dolnoprzepustowym,

wzmacniaczami analogowymi pracuj¹cymi

w klasach A i AB, które trac¹ bardzo du¿o

energii przy du¿ych mocach wyjœciowych.

W porównaniu z tymi wzmacniaczami,

wzmacniacze 1-bitowe redukuj¹ wypromie-

niowywane ciep³o a¿ o 80%.

Wzmacniacze 1-bitowe firmy Sharp maj¹

budowê dwuelementow¹ – sekcje zasilacza

i wzmacniacza w³aœciwego mieszcz¹ siê

w oddzielnych obudowach, co minimalizu-

je ich wzajemny wp³yw. Zastosowano w nich

precyzyjnie dobierane elementy: z³ocone

z³¹cza, metalowe rezystory warstwowe, wy-

sokiej jakoœci pokrêt³o regulacji si³y dŸwiêku

(o konstrukcji suwaka wieloszczotkowej,

poz³acanej), chassis pokrywane miedzi¹

(zmniejszaj¹ce sygna³y zak³ócaj¹ce w.cz.)

i po³¹czenia wykonane przewodem z mie-

dzi beztlenowej.

Obudowa wzmacniacza ma futurystyczny

wygl¹d (z du¿ym wyœwietlaczem i mo¿li-

woœci¹ wyboru jednego z trzech kolorów

podœwietlenia).

Oprócz wejœcia s³u¿¹cego do bezpoœre-

dniego do³¹czenia 1-bitowego odtwarza-

cza p³yt SACD tej firmy (który wkrótce ma

pojawiæ siê na rynku) wyposa¿ono w cy-

frowe wejœcie optyczne typu ST-link do do-

³¹czenia wysokiej klasy odtwarzacza kon-

wencjonalnych p³yt CD, wejœcie przetworni-

ka c/a, cyfrowe wejœcie koncentryczne typu

BNC oraz cyfrowe wejœcie optyczne typu

TOS-link.

n

Leszek Halicki

Opracowano na podstawie materia³ów otrzy-

manych od firmy SHARP Electronics

GES.M.B.H Sp z o.o. Oddzia³ w Polsce

40

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2001

sk¹d ju¿ jako sygna³ analogowy jest dopro-

wadzany bezpoœrednio do g³oœników. W ca-

³ym torze wzmacniacza, od jego wejœcia do

wyjœcia (na g³oœniki), nie ma ani jednego

elementu analogowego. Dok³adne odtwarza-

nie chwilowych sygna³ów o du¿ej amplitudzie

– w³aœciwoœæ o podstawowym znaczeniu

dla wiernoœci reprodukcji materia³u muzycz-

nego – jest osi¹gniêta dziêki du¿ej czêstotli-

woœci próbkowania, przetwarzaniu 1-bito-

wego sygna³u steruj¹cego oraz bardzo szyb-

kiemu prze³¹czaniu synchronizowanego czê-

stotliwoœci¹ próbkowania.

Wzmacniacz 1-bitowy charakteryzuje siê

nie tylko wiernym odtwarzaniem muzyki,

lecz równie¿ du¿¹ sprawnoœci¹ (wynikaj¹-

c¹ z prostoty procesu prze³¹czania), co

oznacza ma³y pobór mocy ze Ÿród³a zasila-

nia i zmniejszenie wymiarów wzmacniacza.

Dziêki du¿ej sprawnoœci wzmacniacze te

maj¹ przewagê nad konwencjonalnymi

Rys. 5. Schemat blokowy wzmacniacza 1-bitowego

SACD