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13.03.2020

Warum klingen klassische Synthesizer so individuell? Workshop

Analoge Filter-Typen mit Charakter!

Im Vergleich: Moog-Ladder, Korg MS-20 Sallen-Key, CEM 3320 Filter-Cip und Buchla Lowpass-Gate

Warum klingt ein Minimoog so unglaublich fett? Was erzeugt den aggressiven Punch eines Korg MS-20? Was ist eigentlich ein Lowpass-Gate? Diesen Fragen rund um das wichtigste, klangprägende Element des Synthesizers wollen wir in diesem Workshop nachgehen.

Wie Filter in Synthesizer funktionieren, welche Filtertypen es gibt und wie sie klingen, kann man im Workshop Synthesizer und Sounddesign #2: Filter nachlesen. Aufbauend auf diesen Kenntnissen, beschäftigen wir uns in diesem Beitrag mit einigen stilbildenden Klang-Ikonen, die ihren unverwechselbaren Sound zum großen Teil ihren Filtern verdanken. Wie wir sehen werden, sind es aber nicht immer allein die Filter, oder deren spezielles Design, die den spezifischen und unverwechselbaren Sound von Synthesizer-Klassikern gestalten. 

Quick Facts: Filter-Design und Klangcharakter

Welchen Einfluss hat das Filterschaltungs-Design auf das Klangergebnis?

Synthesizer-Filter unterscheiden sich zunächst nach Funktion, also Tiefpass, Bandpass, Hochpass oder Bandsperre und Flankensteilheit (gewöhnlich 12- oder 24 dB). Es gibt jedoch verschiedenste Ansätze ein analoges Filter technisch umzusetzen, angefangen beim simplen 12 dB Sallen-Key Design, das mit wenigen Bauteilen auskommt, bis hin zur recht aufwändigen Diode-Ladder Schaltung eines EMS Synthi. Aber das Filter-Design ist oft nicht allein für den spezifischen, Marken-Sound z. B. eines Minimoog oder MS-20 verantwortlich. Die periphere Beschaltung des Filters, aber auch die verfügbaren Modulationsmöglichkeiten, wie schnelle Hüllkurven oder Filter-FM, tragen ihren Teil zum besonderen Vintage-Sound bei.

Was macht den Minimoog so bassgewaltig?

Beim Minimoog Filter und auch dessen modularen Verwandten (904C LP-Filter) kommt ein 24 dB Tiefpass zum Einsatz, das konstruktionsbedingt ein sogenanntes Ladder-Filter ist. Der Name Ladder- (Leiter) Filter entstand auf Grund der leiterartigen Struktur, in der vier Transistor- bzw. Dioden-Paare und Kondensatoren innerhalb der Schaltung angeordnet sind.


Welcher Klangcharakter zeichnet den Ladder-Filter aus?

Diese Art von Filter ist sehr resonanzfreudig und lässt sich leicht in die Selbst-Oszillation treiben. Auch andere Hersteller haben zeitweise diese Bauweise verwendet. ARP hatte anfangs Moog‘s Schaltung einfach kopiert und in den ARP 2600 eingebaut. Nach einem Rechtsstreit musste man dann ein eigenes (State-Variable) Filter entwerfen. Andere Hersteller verwenden Dioden anstatt der Transistoren, wie das Synthacon Steiner-Parker Filter, oder der Filter im EMS VCS3 und Synti

Inzwischen sind alle Patente ausgelaufen und viele Eurorack-Hersteller haben sich des Themas angenommen, sodass es mittlerweile eine große Auswahl an Ladder-Filtern gibt. Aber bringt uns einer dieser Filter schon den unvergleichlich fetten Bass eines Minimoog? Nicht wirklich. Da mag zuweilen die Enttäuschung groß gewesen sein, wenn es an der tieftönigen Urgewalt fehlte, die den Minimoog so einzigartig macht. Um den typischen Druck zu erzeugen braucht es nämlich den Mixer, der beim Minimoog die Lautstärkeanteile der Oszillatoren mischt. Hier tut es auch nicht irgendein Mixer. Die spezielle Art wie der Minimoog Mixer sanft in die Sättigung fährt und das Signal leicht komprimiert, liefert dem eigentlichen Filter das Material für den urgewaltigen Bass, den wir alle kennen.

Audiobeispiele zur Wirkungsweise des Minimoog Filters:

Drei Sweeps durchs Minimoog Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Als Filterfutter dienen drei Sägezahnwellen durch den voll aufgedrehten Mixer.

Jetzt eine Bass-Sequenz durchs Minimoog Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Als Filterfutter dienen wieder drei Sägezahnwellen durch den voll aufgedrehten Mixer. Man hört sehr schön, wie viel Charakter auch die Hüllkurve erzeugt, mit der Moog-typischen feinen Auflösung und den kurzen Attack- und Release-Zeiten.

Manche Hersteller, wie OIIIAudio, ziehen diese Tatsache bereits in Betracht und bauen eine entsprechende Mixer-Stufe gleich mit ein.

Die stilbildende Filter-Kombi - der MS-20 Hoch-Tiefpass

Als der Korg MS-20 in den späten 1970ern auf der Bildfläche erschien, gab es endlich eine preisgünstigen Alternative zu den um ein Vielfaches teureren Produkten von Moog, ARP, Buchla oder EMS.

Um einen niedrigen Verkaufspreis halten zu können, waren Sparmaßnahmen notwendig und so entschied man sich unter anderem für eine simple aber effektive Schaltungsvariante für die Filter. Bei den hier verwendeten Filtertypen handelt es sich um ein Sallen-Key Design, benannt nach ihren Erfindern R. P. Sallen und E. L. Key, die diesen Filtertyp 1955 am MIT (Massachusetts Institute of Technology) entwickelt haben.

Dieser Filter kommt mit einen Fünftel der Bauteile eines Moog-Ladder Filters, oder etwa einem Drittel der Bauteile eines Roland-Filters aus jener Epoche aus. Nur je zwei Widerstände und Kondensatoren sowie ein verstärkendes Element, wie etwa ein Operations-Verstärker(Op-Amps) sind nötig um ein 12 dB Filter zu bilden. Bei der Hochpass Variante tauschen, gegenüber dem Tiefpass, lediglich die Kondensatoren und Widerstände die Plätze. 

In ihrem ursprünglichen Design haben Sallen-Key Filter immer eine Flankensteilheit von 12 dB. Bei Korg allerdings geht das Eingangssignal in den Ausgang des zweiten Kondensators des Hochpass. Daher ist es eigentlich nur ein 6 dB Filter, kann aber eben auch zur Selbstoszillation getrieben werden. Dieser kleine Schaltungstrick spart nicht nur ein Bauteil, sondern lässt mehr Frequenzanteile an das nachgeschaltete Tiefpassfilter durch, was wesentlich zum spezifischen Sound des MS-20 beiträgt. 

Bekanntermaßen gab es beim MS-20 zwei Filter-Varianten. Bei den frühen Modellen waren die Filter Bauteile in einem Spezial-Chip mit der Bezeichnung Korg 35 integriert. Bei späteren Modellen war das Filter diskret aus einzelnen Bauteilen aufgebaut. Heute kommen bei den neu aufgelegten MS-20 Modellen, die übrigens beide Filter Versionen enthalten, OP-Amps (Operationsverstärker) zum Einsatz. Den Unterschied zwischen dem Korg 35 Filter und der diskreten Version kann man bei den folgenden Klangbeispielen gut heraushören.

Welche Charaktereigenschaften haften dem Sound des MS-20 an?

Der Klang der MS-20 Filter-Kombi kann frech bis rotzig sein, man muss allerdings, ganz im Gegensatz zum Moog-Filter, aufpassen, die Filter nicht zu heftig anzusteuern, da ansonsten die Selbstoszillation unterdrückt wird. Im Unterschied zu anderen Filter entsteht die typische Resonanzschwingung nicht an der steilen Flanke z. B. eines Sägezahns, sondern in dessen Mitte (Nulldurchgang). Wo sich bei einem Moogfilter eine Art "harmonisches Zusammenspiel" zwischen Oszillatorwellenform und Resonanzschwingung ergibt, zeichnet sich beim MS-20 so eine Art "Überlebenskampf" zwischen beiden ab. Je nachdem, wer zu laut ist, metzelt den anderen nieder.

Wie das klingt, beschreiben die folgenden Audiobeispiele:

Drei Sweeps durch die Hochpass/Tiefpass-Kombi Version 1 (Korg35), eines MS-20M. Zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Dabei ist der Hochpass ohne Resonanz ganz offen, also inaktiv, um Vergleiche mit den anderen Filter-Modellen zu ermöglichen. Als Filterfutter dienen zwei Sägezahnwellen durch den dreiviertel aufgedrehten Mixer.

Hier drei Sweeps durchs die Hochpass/Tiefpass Kombi, Version 2 eines MS-20M. Zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Dabei ist der Hochpass ohne Resonanz ganz offen, also inaktiv, um Vergleiche mit den anderen Filter-Modellen zu ermöglichen. Als Filterfutter dienen zwei Sägezahnwellen durch den dreiviertel aufgedrehten Mixer.

Eine Bass-Sequenz durch das Korg35 Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Als Filterfutter dienen zwei Sägezahnwellen durch den dreiviertel aufgedrehten Mixer. Dabei ist der Hochpass ohne Resonanz ganz offen, also inaktiv um Vergleiche mit den anderen Filter-Modellen zu ermöglichen.

Jetzt eine Bass-Sequenz durch das Rev. 2 Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Auch hier gehen zwei Sägezahnwellen als Filterfutter durch den dreiviertel aufgedrehten Mixer. Dabei ist der Hochpass ohne Resonanz ganz offen, also inaktiv um Vergleiche mit den anderen Filter-Modellen zu ermöglichen.

Dass die MS-20 Filter-Kombi auch ordentlich „Tiefdruck“ erzeugen kann, hört man wenn der Hochpass mitmacht und bei zweidrittel Resonanz von der Hüllkurve angeschoben wird. Zunächst das Korg35 Filter, dann die Rev. 2 Version.

Bei den folgenden Beispielen lässt sich deutlich hören, wie die Resonanz bei voll aufgedrehtem Mixer einbricht. Zunächst das Korg35 Filter, dann die Rev. 2 Version.

Der CEM 3320 Filter-Chip und seine Rolle im Synthesizerbau

Die ersten polyfonen Synthesizer, wie etwa der Korg PS-3300, waren schrankgroße Ungetüme, die dank des extremen Bauteileaufwands auch ungefähr das Gewicht eines Möbels hatten. Ende der 1970er Jahre sollte sich das ändern. Zwei Hersteller, Solid State Music Technology, kurz SSM und Curtis Electromusic (CEM), entwickelten integrierte Schaltkreise, die bereits ein vollständiges Modul (ADSR, VCA, VCO, VCF, etc.) auf einem IC boten. So konnte man mit minimalem externen Schaltungsaufwand mehrstimmige Synthesizer entwickeln, die transportabel und erschwinglich waren. 

Wo liegen die Besonderheiten des CEM 3320 Filter-Chips?

Filter-Chips, insbesondere der CEM 3320, sind in vielen Geräten der 1980er Jahre zu finden, wie z. B. im Fairlight CMI II/IIx, Oberheim OB-8 und OB-Xa, aber auch im Prophet 5 Gen3. In Drumcomputern wie den LinnDrum und Linn 9000, finden wir ihn ebenso wie im PPG Wave 2. Als die Hochzeit der ersten analog-polyfonen Synths mit Erscheinen von Yamahas DX7 und Rolands D50 langsam zu Ende ging, endetet die Produktion der SSM- und CEM-Chips zunächst.

Heute werden alte Lagerbestände dieser ICs zu teilweise horrenden Preisen gehandelt. Zum Glück traten in den letzten Jahren, nicht zuletzt durch den Analog-Boom angeschoben, Firmen wie Coolaudio und Sound Semiconductor auf den Plan. Dort stellt man ICs, wie das 24 dB Filter SSM 2044, unter der Bezeichnung V2044A (SSI2144) her. Aber auch der CEM-Chips nimmt man sich dort an. In Litauen produziert die Firma ALFA heute den AS3320.

Wer sich für Details zur Implementation dieses Filter-Chips in spezifischen Synthesizern, wie dem Sequential Pro-One, Oberheim OB-Xa und Elka Synthex interressiert, sollte diesem Link folgen. Dank der Renaissance der SSM und CEM-Chips finden wir heute eine reichhaltige Auswahl an Eurorack Modulen, wie z. B. das Fonik SSM2044 VCFoder G-Storm Electro Pro VCF 3320  und an modernen polyfonen Synthesizern, u. a. Produkte von Sequential, wie die Evolver-, oder Prophet-Varianten.

Audiobeispiele zum CEM 3320 Filter:

Nun folgen drei Sweeps durch das CEM 3320 Filter eines Sequential Prophet 5 Rev. 3. Zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Als Filterfutter dienen zwei Sägezahnwellen durch den voll aufgedrehten Mixer.

Eine Bass-Sequenz durch das CEM 3320 Filter eines Sequential Prophet 5 Rev. 3 Zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich bei einsetzender Resonanz. Als Filterfutter dienen zwei Sägezahnwellen durch den voll aufgedrehten Mixer.

Beim Prophet 5 ist Filter-FM direkt per Regler verfügbar. Das erzeugt ein spezielles Grollen das sich bei hohen Resonanzeinstellungen in ein Gurgeln verwandelt.

Was macht eigentlich ein Lowpass-Gate?

Wie der Name erahnen lässt, handelt es sich beim Lowpass-Gate um eine Kombination aus Lowpass-Filter und Gate, bzw. VCA (Voltage Controlled Amplifier), das in seiner Urform keine Resonanz aufweist. Begeben wir uns von der Ostküste, von Moog und ARP, an die Westküste der USA, wo ein gewisser Don Buchla seine ganz eigenen Visionen von modularen Synthesizern entwickelte. Anders als bei der subtraktiven Synthese, wo aus sehr obertonreichen Grundwellenformen mit Hilfe eines steilflankigen, resonanzfähigen Filters der Klang geformt wird, entsteht im Buchla-Universum der Sound vielfach durch dynamische Frequenzmodulation (FM) Ringmodulation (RM) und Wave-Shaping (WS). Da oft Sinus-Schwingungen als Grundwellenform zum Einsatz kommen, ergeben sich durch dynamische FM, RM und WS, bereits Filter-artige Effekte. Daher stehen hier die übliche Filter-Modelle nicht so im Vordergrund. Stattdessen kommt ein Lowpass-Gate (LPG) zum Einsatz, so auch im Buchla Music Easel

Üblicherweise gibt es drei Funktions-Modi: Als reines Tiefpass-Filter, dessen Grenzfrequenz durch den Pegel des Signals bestimmt wird. Als Kombination von Tiefpass und VCA, mit dem gleichen Verhalten, und letztendlich als reiner VCA. Auch bei den beiden letzteren Betriebsarten bestimmt der Pegel die Lautstärke bzw. die Öffnung des Filters.

Welches Merkmal zeichnet einen klassischen Lowpass-Gates aus?

Ein Merkmal, insbesondere der klassischen Lowpass-Gates, ist der Einsatz von Vactrols. Ein Vactrol ist eine Kombination einer Lichtquelle (LED) mit einem lichtempfindlichen Widerstand (LDR) in einem lichtdicht gekapselten Gehäuse. Das besondere an diesen Vactrols ist deren „langsame“ Übertragungskennlinie, die das Reaktionsverhalten des Filters/VCAs bestimmt. Das kommt percussiven Sounds mit steilen Transienten entgegen, die das Filter auf typische Art ‚anschwingen‘. FM-Klänge und Timbre-Modulationen benötigen genauso ein mild abrundendes, dynamisch reagierendes Filter.

Audiobeispiele zum Lowpass-Gate im Buchla Music Easel:

Zunächst ein Sweep mit zwei Sägezahn-Wellen, bzw. dem, was ein Buchla Music Easel einem da anbietet. Im ersten Teil der Sequenz hört man dynamisches Waveshaping mit dezenten FM-Anteilen, die sich mit zunehmenden Tonhöhen- und Frequenzverschiebungen klanglich immer mehr ins Metallische verschieben.

Inzwischen bietet der Eurorack-Markt zahlreiche Modelle von LPGs in allen Varianten: Mit Vactrol, auf Röhren-Basis, oder auch mit steuerbarer Resonanz. 

Schlusswort

Wie man hören kann, wird der charakteristische Sound eines spezifischen Synthesizer-Filters nicht allein durch sein Konstruktionsprinzip bestimmt. Auch der vorgeschaltete Mixer für die Wellenformen kann ganz unterschiedlichen Einfluss auf das Filterverhalten haben. Manchmal punktet auch die technisch simpelste Lösung, die dann noch durch eine weitere Vereinfachung „optimiert“ wurde, wie beim Korg MS-20 Filter, einer wahren Charakter-Ikone. Dass ein kompletter Filter in einem integrierten Schaltkreis verschwindet, lässt einen zunächst an digitale Schaltungen denken. Die aber waren damals gerade einmal für die Organisation der Parameter zu gebrauchen. In den CEM- und SSM-Chips, und deren neuen Verwandten, ist noch alles analog, lediglich die Größenverhältnisse haben sich geändert. Kompakte und leistungsfähige analog-polyfone Synthesizer waren dank dieser Entwicklung damals überhaupt erst möglich geworden und haben sich inzwischen, wegen ihres frischen und durchsetzungsfähigen Sounds, wieder in allen Leistungsklassen neu behauptet.

Herzlichen Dank an Hanno Kahl (Bexstudioton) und Christian Hecker für die Leihgabe von Minimoog und Prophet 5.

Veröffentlicht am 13.03.2020

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