Analogové vs. "digitální" zesilovače a jejich přednosti i nedostatky

Zesilovače jsou nedílnou součástí každého kvalitnějšího audio systému v automobilu a jejich kvalita, výkon a také třída ovlivňují celkový zvuk i samotnou instalaci. V tomto článku se zaměříme právě na jednotlivé třídy zesilovačů a to zejména na rozdíl mezi třídou D (často mylně nazývanou digitální) a analogovou třídou AB. Dozvíte se ty zásadní rozdíly se všemi výhodami a nedostatky a také proč i v dnešní době stále preferujeme analogové zesilovače. 

Na jakém principu fungují zesilovače?

V našem dřívějším článku jak vybrat zesilovač do auta jsme již napsali spoustu obecných informací, které vám pomohou při výběru i nastavení zesilovače. Tentokrát však půjdeme více do hloubky a rozebereme si technické vlastnosti zesilovačů a jejich tříd a podělíme se také o naše zkušenosti z instalací.

Začneme tou nejzákladnější otázkou: jak takový zesilovač do auta vlastně funguje? Obecně zesilovač pracuje tak, že odebírá 12voltový stejnosměrný proud přicházející od baterie do zesilovače, přeměňuje jej na střídavý a zvyšuje napětí přes transformátor. Poté zkombinuje tento vysokonapěťový výkon se zvukovým signálem přicházejícím z hlavní jednotky a vytvoří vysokonapěťovou a vysokoproudovou výstupní verzi tohoto slabého vstupního signálu.

Při tomto procesu se dostává ke slovu třída zesilovače, která zásadně ovlivňuje jeho účinnost. Je pravidlem, že zesilovače vždy vydávají méně energie než spotřebují a zmíněná účinnost představuje poměr vydané a čerpané energie z elektrického systému. Žádný zesilovač na světě však není 100% účinný a nemůže vydat stejně nebo více energie, než čerpá. Tím vzniká zbytečná energie, která se nedostane na výstupní svorky a mění se v teplo - zákeřného nepřítele všech zesilovačů. 

Rozdíly mezi jednotlivými třídami

Než se dostaneme k hlavnímu tématu tohoto článku, podívejme se nejprve na nejběžnější třídy zesilovačů. Výše jsme uvedli, že třída zesilovače ovlivňuje zejména jeho účinnost, jinými slovy množství tepla, které zesilovač produkuje. Kromě toho však třída definuje i věrnost zvuku, zkreslení, rušení a potažmo i design a kostrukci zesilovače. Jelikož přílišné teplo může zesilovač i vážně poškodit (a to zejména v podmínkách automobilu), inženýři výrobců zesilovačů přicházejí s konstrukčními řešeními, které nejlépe kombinují vlastnosti daných tříd ve prospěch co možná nejkvalitnějšího zvuku. A jaké jsou tedy ty hlavní rozdíly mezi jednotlivými třídami?

Třída A - nejvěrnější zvuk, nízká účinnost a velké generování tepla

V zesilovačích třídy A pracují výstupní tranzistory konstantně na plný výkon a nezáleží na tom, zda je k dispozici vstupní signál nebo nikoliv. A když není žádný signál, tak se výkon tranzistorů mění na teplo. Každý výstupní tranzistor třídy A navíc zesiluje záporné i kladné napěťové části signálu, čímž zvyšuje pracovní zátěž a generuje ještě více tepla. Zesilovače třídy A tak obvykle pracují s účinností kolem 25 %. To znamená, že 75 % jejich energie se přemění na teplo. Tyto základní vlastnosti mají však i své výhody. Jelikož je každý tranzistor výstupního stupně vždy zapnutý, nedochází k žádným cyklům zapínání, vypínání, zahřívání nebo chlazení, které by ovlivnily tok signálu. Díky tomu zesilovače fungují bez jakéhokoliv zkreslení nebo rušení a disponují tím nejvěrnějším zvukem. Vzhledem k výše uvedenému jsou zesilovače třídy A v automobilech spíše vzácností, přesto se najde několik výrobců, jako italští Audison nebo Steg, kteří tyto zesilovače pro svou špičkovou kvalitu zvuku nabízejí. A poprávu se jedná o jedny z nejkvalitnějších zesilovačů na světě, tomu však odpovídá i vysoká cena.

Třída B - vyšší účinnost, ale nízká věrnost zvuku

Zesilovače třídy B se v automobilovém průmyslu prakticky neobjevují, přesto je zde zmíníme pro lepší pochopení třídy AB. Zesilovače třídy B ulehčují pracovní zátěž každého koncového stupně tak, že nahradí jediný tranzistor dvěma tranzistory nastavenými v uspořádání, které se nazývá "push-pull". Jeden tranzistor zesiluje záporné napěťové části střídavého průběhu signálu, druhý se stará o kladné napětí a následně se oba spojí do jednotného výstupu. Každý tranzistor je tedy polovinu času zapnutý a druhou polovinu vypnutý. Díky tomu dosahují zesilovače třídy B vyšší účinnosti okolo 50%, ale neustálým zapínáním a vypínaním vytvářejí značné harmonické zkreslení, což dělá tyto zesilovače nejméně atraktivní.

Třída AB - vysoká věrnost zvuku i dostatečná účinnost

Zesilovače třídy AB jsou jsou nejčastěji používány v automobilových audio systémech kvůli jejich schopnosti kombinovat výhody třídy A a B. Fungují na principu dvou výstupních tranzistorů typu "push-pull", z nichž každý je zapnutý více než polovinu času a žádný se náhle nezapíná a nevypíná. To poskytuje zesilovači základní charakteristiky třídy A, když má signál nízký výkon a vede přes oba tranzistory a zároveň třídy B, když je naopak výkon vysoký. Pro každý zesilovač je také definována optimální doba, po kterou oběma tranzistory prochází proud, což minimalizuje zkreslení. Výsledkem je vyšší účinnost, která dosahuje obvykle 60%, a výrazně menší zkreslení než v případě třídy B. I z toho důvodu byly zesilovače třídy AB po dlouhá léta prakticky jedinou možnou volbou pro dosažení vysoce věrného zvuku. Tuto hegemonii však v poslední době narušily zesilovače třídy D, které se těší stále více rostoucí oblibě.

Třída D - přeborník v účinnosti

Zesilovače třídy D pracují jedinečným a zajímavým způsobem. Vestavěné obvody vytvářejí vysokofrekvenční impulzy stejnosměrného proudu, kdy šířka každého impulzu je modifikovaná vstupním signálem. Zároveň platí, že čím širší impulz, tím hlasitější signál. To označujeme pod zkratkou "PWM" (Pulse Width Modulation), česky pulzně šířková modulace. Tyto stejnosměrné impulsy procházejí zesilovacími tranzistory a vytvářejí velmi výkonný výstup. A jelikož dostávají stejnosměrné impulzy místo analogových signálů, pracují tranzistory buď v plném výkonu, nebo jsou vypnuté bez napájení. To umožní účinnost atakující až 90% a u těch nejkvalitnějších zesilovačů třídy D i více. To samozřejmě vede k minimálnímu zahřívání. Zesilovače třídy D disponují také malými rozměry, vysokými výkony a velmi kvalitním zvukem, který se blíží zesilovačům třídy AB. I proto jejich využití neustále roste, i když věrnosti zvuku analogových zesilovačů stále nedosáhly. 

Třída, G, H a ostatní

Tříd zesilovačů je však ještě více, ačkoliv většina z nich se v našem oboru používá minimálně. I proto jim nebudeme věnovat tolik pozornosti, jelikož se obvykle jedná o deriváty třídy AB a D, případně jejich vylepšené verze. V nabídce špičkových výrobců najdete i další označení tříd jako BR (Rockford Fosgate), ADT (Audison) nebo Ultra HD (Helix). U těchto tříd najdete určitá vylepšení, nakolik se však jedná o pokrok nebo jen zdařilý marketing si netroufáme tvrdit. Trendem jsou i kombinace, kdy například zesilovač disponuje čtyřmi analogovými kanály a jedním digitálním pro subwoofer. Vznikají i hybridní třídy jako je nová třída AAB od Mosconi, která spojuje výhody třídy A s třídou AB, což má za následek zvuk ještě vyšší kvality. A dočkáme se určitě i dalších nově vzniklých tříd. 

Analogové zesilovače třídy AB vs. "digitální" třídy D

Věnujme se však nyní analogovým zesilovačům třídy AB a "digitálním" zesilovačům třídy D. Tedy zesilovačům, které jsou v současnosti nejčastěji zastoupené jak v automobilech, tak domácnostech. Hned na úvod je potřeba zmínit, že zesilovače třídy D nejsou digitální zařízení. Pouze se jim tak (špatně) říká a popravdě je tak hovorově nazýváme i my. Tyto zesilovače mají však pouze digitální řídící obvody, které přijímají binární symbol "0" nebo "1" jako signál, převádějí jej na analogový a zesilují jej. Oproti tomu analogový elektronický systém zesilovačů třídy AB přijímá trvalý výstupní signál a dále jej zesiluje. Dalším rozdílem je ten, že analogový systém převádí signál ihned na začátku tohoto procesu, kdežto digitální systém zachovává signál v digitálním formátu po celé cestě k reproduktoru. A až těsně před reproduktorem je digitální signál převeden na analogový a zkontrolován, zda neobsahuje chyby. Následně dochází k opravám problémů jako je přepětí, podpětí, apod.

S výše uvedeným souvisí i šum. Ten je nepravděpodobný ve fázi převodu digitálního signálu na analogový, ke kterému v případě digitálních zesilovačů dochází na konci tohoto procesu. Jak jsme již uvedli, tak analogové zesilovače převádí signál ihned na začátku. Díky tomu může být jakýkoliv šum zachycen a zesílen, čímž je ovlivněn výstupní rušivý šum. I z toho důvodu jsou digitální zesilovače (ano, budeme je i nadále nazývat špatně), známé pro svůj velmi čistý zvuk s minimem šumu. U analogových zesilovačů zpravidla platí to, že čím kvalitnější (a dražší) je zesilovač, tím je šum nižší a na podobné úrovni jako v případě zesilovačů digitálních. 

Zanechme však technických odlišností a věnujme se tomu, pro jaký zesilovač se vlastně rozhodnout. Každý z těchto dvou typů zesilovačů má odlišné vlastnosti a je nezbytné upřednostnit jejich výhody, aby bylo možné zvolit ten vhodnější pro váš audio systém. Oba typy zesilovačů produkují kvalitní, detailní zvuk s dostatečnou věrností zvuku i účinností. Skutečný audiofil a profesionál honící se po nejvyšší kvalitě zvuku se pravděpodobně vždy obrátí na analogový zesilovač, ten kdo hledá snadnou instalaci, minimální rozměry a vysokou účinnost sáhne zase po tom digitálním. Jsou však rozdíly ve zvuku natolik markantní, že by se mělo jednat o zásadní parametr, nebo jsou zvukové odlišnosti ve zvuku v dnešní době natolik minimální, že to běžný posluchač nemůže poznat? Níže si rozvedeme veškeré výhody i nevýhody jednotlivých zesilovačů a možná vám pomůžeme se rozhodnout. 

Výhody a nevýhody analogových zesilovačů třídy AB

Jak jsme již uvedli, analogové zesilovače třídy AB fungují na jiném principu než zesilovače třídy D a to sebou přináší několik výhod, ale samozřejmě i nevýhod. Analogové zesilovače jsou historicky známé pro svou výbušnou dynamiku a dechberoucí, věrný zvuk. Mezi největší nevýhody však patří jejich rozměry a  zahřívání, což může odradit některé uživatele. I to se však výrobci snaží řešit ať už důmyslným pasivním a dokonce i aktivním chlazením. Doba se však mění a s ní i priority uživatelů. Jsou analogové zesilovače ohroženým druhem podobně jako spalovací motory? Posuďte samy dle níže uvedných typických vlastností.

Výhody analogových zesilovačů třídy AB

• Analogové zesilovače produkují klasický "teplý zvuk", který je nejblíže skutečnému hi-fi zvuku.
• U zvuku ještě zůstaneme, je zkrátka odlišný od toho digitálního. Je věrnější, hlubší a dynamičtější.
• Analogové zesilovače mají také kvalitnější a dynamičtější zvuk oproti třídě D i při velmi nízkých úrovních hlasitosti.
• Lineárnější odezva na změny vstupního signálu, což může být důležité při měření a nastavení zvuku.
• Optimální volba pro poskytnutí výkonu pokročilým reproduktorům vyšší kvality. 

Nevýhody analogových zesilovačů třídy AB

• Analogové zesilovače jsou výrazně dražší kvůli náročnějšímu procesu výroby. 
• Větší náchylnost k šumu, která je eliminována obvykle u dražších analogových zesilovačů vyšší kvality.
• Zesilovače třídy AB mají sice dostatečnou účinnost, přesto se zejména ve stísněných prostorech mohou přehřívat.
• Mezi nevýhody patří také obvykle větší rozměry, které znemožňují instalaci do moderních vozidel. 
• S vyšším výkonem úměrně rostou rozměry, ale obvykle také cena zesilovačů.
• Analogové zesilovače s více než 6 kanály jsou spíše výjimečným úkazem a to opět především kvůli rozměrům.
• Pro kutily náročnější a nákladnější opravy, což souvisí s první bodem.

Zesilovače třídy D a jejich přednosti a nedostatky

Dostáváme se k zesilovačům třídy D, které jsou s námi od roku 1998 a patří tedy k těm modernějším řešením. Prakticky ihned si však získaly své fanoušky díky menším rozměrům, minimálnímu zahřívání a vysokým výkonům. A to i přes počátěční nižší kvalitu zvuku, která v prvních letech nebyla bůhvíjak oslnivá. Čas ovšem utíká v technologiích nezastavitelným tempem a tyto rozdíly se již natolik zmenšily, že jsou v dnešní době pro spoustu běžných uživatelů i profesionálů tou první volbou. 

Výhody zesilovačů třídy D

• Moderní zesilovače třídy D jsou schopné produktovat zvuk vysoké kvality.
• Vysoká účinnost dosahující 90% a v některých případech i více, což vede k minimálnímu zahřívání.
• Nízká hmotnost a kompaktní rozměry, které oceníte u moderních vozidel s minimem prostoru.
• Nižší spotřeba energie než v případě analogových zesilovačů. To může hrát zásadní roli například u elektrických vozidel.
• Možnost ozvučení automobilů s vícekanálovým aktivním systémem (12 až 16 kanálů není dnes výjimkou).
• Snadná integrace na tovární systémy a široká nabídka zesilovačů s integrovaným DSP procesorem.
• Zesilovače třídy D i s velmi vysokým výkonem lze zakoupit za dostupnou cenu.
• Obvykle jsou zesilovače třídy D vhodnější volbou pro subwoofer.
• Vysoká odolnost proti šumu v signálové cestě.

Nevýhody zesilovačů třídy D

• I přes rychlý vývoj a velké zlepšení za poslední dobu zvuk těchto zesilovačů nedosahuje věrnosti analogového zvuku.
• Některé zesilovače třídy D mohou generovat vysokofrekvenční šum a jsou také citlivější na kvalitu vstupního signálu.
• Často nižší kvalita zvuku při nízké hlasitosti a naopak větší zkreslení při velmi vysoké hlasitosti. 
• Velký rozdíl ve zvuku levných a špičkových zesilovačů třídy D (u analogových zesilovačů jsou rozdíly menší).

Který typ zesilovače je tedy ten nejlepší?

Na tuto otázku bohužel nelze jednoznačně odpovědět. Obecně by se mělo jednat o takový zesilovač, u kterého ve vašem konkrétním případě převládají výhody nad nedostatky. Vždy totiž nejvíce záleží právě na vašich osobních preferencích. Obecně se dle výše uvedených bodů jeví jako výhodnější koupě zesilovače třídy D, který se snadněji integruje na stávající systém v automobilu, méně se zahřívá, má menší rozměry a v neposlední řadě je často i levnější. Kvalita zvuku je navíc velmi subjektivní pojem a existuje určitá pravděpodobnost, že mezi porovnávanými zesilovači nepoznáte rozdíl. Při výběru zesilovače byste však měli vzít v potaz i další faktory jako je požadovaný počet kanálů, poměr signálu k šumu, frekvenční rozsah, úroveň citlivosti a vstupní impedance, spotřebu energie a také umístění zesilovače. Nakonec se však znovu vrátíme k tomu několikrát zmíněnému zvuku. V obecné rovině platí, že pokud je pro vás hlavním cílem vysoká účinnost, malé rozměry nebo snadná instalace a věrnost zvuku je spíše druhořadá, zvolte zesilovač třídy D. Pokud je pro vás naopak věrnost zvuku tím základním prvkem při výběru zesilovače, pak věnujte svou pozornost následujícímu odstavci tohoto článku

Je pro vás věrnost zvuku prioritou? Zvolte analogový zesilovač

Pokud je pro vás tou nejvyšší prioritou kvalita a věrnost zvuku a dovolí to i prostor v autě, pak obecně doporučíme zakoupit analogový zesilovač třídy AB, případně i třídy A. Mnohaleté zkušenosti z naší montážní dílny, kde na denní bázi instalujeme jak digitální, tak analogové zesilovače všech cenových kategorií, nás opakovaně přesvědčují o dosavadní nenahraditelnosti právě analogových zesilovačů. Ten rozdíl ve zvuku v jejich prospěch je skutečně znát a umožní pozvednout audio systém na ještě vyšší úroveň. Proto se obvykle snažíme zvolit takové řešení, které umožní instalaci analogového zesilovače. Alespoň u těch pokročilejších instalací, kde je kvalita zvuku jasnou prioritu. Ne vždy to však jde i kvůli výše zmíněným nedostatkům zesilovačů třídy AB. V takovém případě pak hledáme tu nejadekvátnější alternativu třídy D. Ale pozor, ani analog není všemocnou spásou a zárukou špičkového zvuku. Vždy je důležité porovnávat zesilovače podobné cenové kategorie, s podobným výkonem i počtem kanálů. Snadno se jinak může stát, že digitální zesilovač za deset tisíc bude zvukově kvalitnější než jeho analogová alternativa za poloviční cenu. Vždy tedy záleží na konkrétním zesilovači, jeho kvalitě a samozřejmě i renomé výrobce. Obecně však platí, že nejen pro audiofily, ale i pro náročnější posluchače, je i v dnešní době vhodnější volbou analogový zesilovač. Alespoň co se týče kvality a věrnosti zvuku. 

Slovo závěrem

Technologický vývoj běží mílovými kroky směrem vpřed a ačkoliv jsou analogové zesilovače stále zvukově tím nejvhodnějším řešením pro kvalitní audio systém, špičkové digitální zesilovače svým starším sourozencům pomalu šlapou na paty. Kvalita zvuku tedy již nemusí být tím nejdůležitějším tématem, rozdíly se postupně zmenšují a vznikají nové priority při stavbě audio systémů v automobilu. Doba navíc digitálním zesilovačům vyloženě přeje. Elektrická auta nejsou zrovna ideálním prostředím pro energeticky náročné analogové zesilovače a prémiové automobilky ve svých modelech často využívají vícekanálové aktivní systémy s 12 a více kanály, což je těžce nahraditelné s využitím analogových zesilovačů. A to zejména ve stísněných podmínkách dnešních vozidel. Na druhou stranu kdo chce dosáhnout skutečně kvalitního audio systému, pak nepotřebuje v automobilu praktikovat marketingový trik většiny automobilek v podobě jakési alternativy kina s velkým množstvím reproduktorů. Cílem náročného posluchače je obvykle stereo zvuk ideálně s třípásmovými předními komponenty, subwooferem a odpovídajícími zesilovači. V drtivé většině těmi analogovými. Alfou a omegou takového systému je však také zdroj, lokace reproduktorů, profesionální naladění zvuku a jako vždy cena. Ale to už výrazně odbočujeme od tématu.

Nechme se tedy překvapit, kam tento generační souboj dospěje. Možná se dočkáme skutečně zvukově věrných zesilovačů tříd D, které navždy řeknou sbohem těm analogovým. Již dnes jsou začínajícím trendem analogové zesilovače kompaktnějších rozměrů a možná jsme i na prahu éry nových hybridních technologií. Je navíc skvělé, že i v tomto odvětví máme možnost volby a ta ostatně je a vždy bude pouze na vás.