Was hat das Filter-Design eigentlich mit dem Klang eines Synthesizers zu tun? Auf diese Frage schließen sich gleich die nächsten an: Warum klingt ein Minimoog so unglaublich fett? Was macht den aggressiven Punch eines Korg MS-20 aus? Was ist überhaupt ein Lowpass-Gate? Diesen Fragen rund um das Filter und seinen Aufbau, also dem wichtigsten, klangprägenden Element des Synthesizers, wollen wir uns in diesem Workshop ausführlich widmen.
Wie Filter in Synthesizern funktionieren, welche Arten von Filtern es gibt und wie sie klingen, kann man im Workshop Synthesizer und Sounddesign #2: Filter nachlesen. Darauf aufbauend werden wir uns in diesem Artikel mit einigen stilbildenden Klangikonen beschäftigen, die ihren unverwechselbaren Sound zu einem großen Teil ihren Filter-Designs verdanken. Wie wir sehen werden, sind es aber nicht immer nur die Filter oder deren spezielles Design, die den spezifischen und unverwechselbaren Sound von Synthesizer-Klassikern prägen.
- Filter-Design – was versteht man darunter?
- Welchen Einfluss hat das Filter-Design auf das Klangergebnis?
- Filter-Design: Was macht den Minimoog so bassgewaltig?
- Welchen Klangcharakter liefert das Filter-Design des Ladder-Filters?
- Ist nur das Filter-Design für den Sound entscheidend?
- Stilbildendes Filter-Design: die MS-20 Hoch-Tiefpass-Kombi
- Welche Eigenschaften beschreiben den Sound des Korg MS-20?
- Das CEM 3320 Chip-Design und seine Rolle im Synthesizerbau
- Wo liegen die Besonderheiten des CEM 3320 Filter-Designs?
- Um welches Filter-Design handelt es sich beim Lowpass-Gate?
- Zum Schluss
Filter-Design – was versteht man darunter?
Unter dem Begriff Filter-Design bei Synthesizern versteht man im Allgemeinen die Gestaltung der Filterschaltung, welche die Frequenzkomponenten des von Oszillatoren erzeugten Audiosignals beeinflusst. Filter dienen in Synthesizern dazu, den Klang des Signals durch Hervorheben oder Unterdrücken bestimmter Frequenzen zu verändern. Es gibt verschiedene Arten von Filtern, die in Synthesizern Verwendung finden können. Die gängigsten Arten sind folgende:
- Lowpass-Filter: lässt nur Frequenzen unterhalb einer bestimmten Frequenz passieren.
- Highpass-Filter: lässt nur Frequenzen oberhalb einer bestimmten Frequenz passieren.
- Bandpass-Filter: lässt nur Frequenzen zwischen zwei bestimmten Frequenzen passieren.
- Notch-Filter: unterdrückt Frequenzen zwischen zwei bestimmten Frequenzen.
Diese Filtertypen unterscheiden sich also darin, wie sie die Frequenzkomponenten des Signals beeinflussen. Einige Filter sind linear, andere nichtlinear. Lineare Filter haben eine konstante Verstärkung über den gesamten Frequenzbereich. Nichtlineare Filter weisen eine variable Verstärkung auf, die sich mit der Frequenz ändert.
Die zweite Folge des Crashkurses Synthesizer und Sounddesign behandelt das Thema Filter. Welche Filter gibt es und was kann man mit ihnen machen?
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Welchen Einfluss hat das Filter-Design auf das Klangergebnis?
Filter bei Synthesizern unterscheiden sich zunächst in ihrer Funktion, also Tiefpass, Bandpass, Hochpass oder Notch-Filter (Bandsperre) und in ihrer Flankensteilheit (meist 12 oder 24 dB). Bei der technischen Realisierung eines analogen Filters gibt es jedoch unterschiedliche Ansätze. Angefangen bei einem einfachen 12 dB Sallen-Key Design, das mit wenigen Bauteilen auskommt, bis hin zur recht aufwendigen Dioden-Ladder-Schaltung eines EMS Synthi. Oft ist aber nicht nur das Filter-Design für den spezifischen Markensound beispielsweise 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 speziellen Vintage-Sound bei.
Filter-Design: Was macht den Minimoog so bassgewaltig?
Das Minimoog-Filter und sein modularer Verwandter (904C LP-Filter) verwenden einen 24 dB-Tiefpass, der aufgrund seines Aufbaus ein sogenanntes Ladder-Filter ist.
Der Name Ladder-Filter (Leiter) leitet sich von seinem leiterartigen Filter-Design ab, bei der vier Transistor- bzw. Diodenpaare und Kondensatoren in der Schaltung angeordnet sind.
Welchen Klangcharakter liefert das Filter-Design des Ladder-Filters?
Das Filter-Design des Ladder-Filters erweist sich als sehr resonanzfreudig und kann zudem leicht zur Selbstoszillation angeregt werden. Dieses Design wurde zeitweise auch von anderen Herstellern verwendet. ARP hatte die Schaltung von Moog zunächst einfach kopiert und in den ARP 2600 eingebaut. Nach einem Rechtsstreit musste dann jedoch ein eigenes (Zustandsvariables) Filter entwickelt werden. Andere Hersteller verwenden Dioden statt Transistoren, wie beispielsweise das Synthacon Steiner-Parker Filter oder das Filter im EMS VCS3 und Synti.
Ist nur das Filter-Design für den Sound entscheidend?
Inzwischen sind allerdings alle Patente ausgelaufen und viele Eurorack-Hersteller haben sich auch dieses Themas angenommen. So gibt es inzwischen eine große Auswahl an Ladder-Filtern speziell für das Eurorack. Aber bringt wirklich eines dieser Filter-Designs den unvergleichlich fetten Bass eines Minimoogs? Nicht wirklich. Da kann die Enttäuschung schon mal groß gewesen sein, wenn es an der tieftönigen Urgewalt fehlte, die den Minimoog so einzigartig macht. Denn um den typischen Druck zu erzeugen, braucht es den Mixer, der beim Minimoog die Lautstärkeanteile der Oszillatoren mischt. Und das macht hier nicht irgendein Mixer. Die spezielle Art und Weise, wie der Minimoog-Mixer das Signal sanft in die Sättigung fährt und leicht komprimiert, liefert dem eigentlichen Filter das Material für den urgewaltigen Bass, den wir alle kennen.
Audiobeispiele zur Wirkungsweise des Moog Filter-Designs
Es folgen drei Sweeps durch das Minimoog Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich mit einsetzender Resonanz. Als Filterfutter dienen drei Sägezahnwellen durch den voll aufgedrehten Mixer.
Hier eine Bass-Sequenz durch das Minimoog Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich mit 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.
Einige Hersteller, wie beispielsweise OIIIAudio, tragen diesem Umstand bereits Rechnung und bauen eine entsprechende Mixerstufe gleich mit ein.
Stilbildendes Filter-Design: die MS-20 Hoch-Tiefpass-Kombi
Als Ende der 70er Jahre der Korg MS-20 auf der Bildfläche erschien, gab es endlich eine preiswerte Alternative zu den um ein Vielfaches teureren Produkten von Moog, ARP, Buchla oder EMS.
Um den Verkaufspreis niedrig halten zu können, waren Sparmaßnahmen notwendig und so entschied man sich unter anderem für eine einfache, aber effektive Schaltungsvariante für die Filter. Bei dem hier verwendeten Filter-Design und den Filtertypen handelt es sich um ein Sallen-Key-Design, benannt nach den Erfindern R. P. Sallen und E. L. Key. Diese haben diesen Filtertyp 1955 am MIT (Massachusetts Institute of Technology) entwickelt.
Der Aufbau des Sallen-Key-Filters
Das Sallen-Key-Filter kommt bereits mit einem Fünftel der Bauteile eines Moog-Ladder-Filters oder etwa einem Drittel der Bauteile eines Roland-Filters aus dieser Zeit aus. Lediglich zwei Widerstände und zwei Kondensatoren sowie ein verstärkendes Element, beispielsweise ein Operationsverstärker, werden benötigt, um ein 12 dB-Filter zu bilden. Bei der Hochpass Variante tauschen, gegenüber dem Tiefpass, lediglich die Kondensatoren und Widerstände die Plätze.
Sallen-Key-Filter haben in ihrem ursprünglichen Design immer eine Flankensteilheit von 12 dB. Bei Korg geht das Eingangssignal jedoch in den Ausgang des zweiten Kondensators des Hochpasses. Dadurch ist es eigentlich nur ein 6 dB Filter, kann aber auch zur Selbstoszillation gebracht werden. Dieser kleine Schaltungskniff im Filter-Design spart nicht nur ein Bauteil, sondern lässt auch mehr Frequenzanteile für das nachgeschaltete Tiefpassfilter durch. Und das trägt wesentlich zum spezifischen Klang des MS-20 bei.
Zwei Varianten des Filter-Designs beim Korg MS-20
Es ist bekannt, dass der Korg MS-20 zwei Filtervarianten besaß. Bei den frühen Modellen waren die Filterkomponenten in einem speziellen Chip mit der Bezeichnung Korg 35 integriert. Bei späteren Modellen war das Filter diskret aus einzelnen Bauteilen aufgebaut. Heute werden in den neu aufgelegten MS-20 Modellen, die übrigens beide Filterversionen enthalten, OP-Amps (Operationsverstärker) verwendet. Der Unterschied zwischen dem Korg 35 Filter und der diskreten Version ist in den Audiobeispielen weiter unten gut zu hören.
Welche Eigenschaften beschreiben den Sound des Korg MS-20?
Der Klang der MS-20 Filter-Kombi kann aufgrund ihres Filter-Designs frech bis rotzig sein. Im Gegensatz zum Moog-Filter muss man allerdings aufpassen, dass man die Filter nicht zu stark ansteuert, da sonst die Selbstoszillation unterdrückt wird. Im Gegensatz zu anderen Filtern entsteht die typische Resonanzschwingung hier nicht an der steilen Flanke zum Beispiel eines Sägezahns, sondern in dessen Mitte (Nulldurchgang). Wo bei einem Moog Filter eine Art “harmonisches Zusammenspiel” zwischen Oszillatorwellenform und Resonanzschwingung entsteht, kommt es beim MS-20 zu einer Art “Überlebenskampf” zwischen beiden. Je nachdem, wer zu laut ist, metzelt den anderen nieder.
Audiobeispiele zur Wirkungsweise des Korg MS-20 Filter-Designs
Drei Sweeps durch die Hoch-/Tiefpass-Kombination Version 1 (Korg35) eines MS-20M. Zuerst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich mit einsetzender Resonanz. Dabei ist der Hochpass ohne Resonanz komplett offen, also inaktiv, um Vergleiche mit den anderen Filtermodellen zu ermöglichen. Zwei Sägezahnwellen werden durch den zu drei Vierteln aufgedrehten Mixer als Filterfutter verwendet. Diese Grundeinstellungen gelten auch für die nachfolgenden Audiobeispiele.
Danach folgen drei Sweeps durch die Hochpass/Tiefpass-Kombination Version 2 eines MS-20M. Zuerst ohne Rückkopplung, dann mit mittlerer Rückkopplung und schließlich mit einsetzender Resonanz.
Nun eine Bass-Sequenz durch das Korg35-Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich mit einsetzender Resonanz.
Es folgt eine Bass-Sequenz durch das Rev. 2 Filter, zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich mit einsetzender Resonanz.
Dass die MS-20 Filter-Kombi auch ordentlich „Tiefdruck“ erzeugen kann, hört man, wenn der Hochpass mitmacht und bei zwei Dritteln Resonanz von der Hüllkurve angeschoben wird. Zuerst das Korg35 Filter, dann die Rev. 2 Version.
Bei den folgenden Beispielen hört man deutlich, wie die Resonanz bei voll aufgedrehtem Mixer einbricht. Zuerst das Korg35 Filter, dann die Rev. 2 Version..
Das CEM 3320 Chip-Design und seine Rolle im Synthesizerbau
Die ersten polyphonen Synthesizer, wie beispielsweise der Korg PS-3300, waren schrankgroße Ungetüme, die aufgrund der extrem vielen Bauteile auch etwa das Gewicht eines Möbelstücks hatten. Das sollte sich allerdings Ende der 1970er Jahre ändern. Zwei Hersteller, Solid State Music Technology, kurz SSM, und Curtis Electromusic (CEM), entwickelten integrierte Schaltungen, die bereits ein komplettes Modul (ADSR, VCA, VCO, VCF, etc.) auf einem IC boten. Damit war es möglich, mit einem Minimum an externen Schaltkreisen polyphone Synthesizer zu entwickeln, die sowohl transportabel als auch erschwinglich waren..
Wo liegen die Besonderheiten des CEM 3320 Filter-Designs?
Chips mit einem besonderen Filter-Design wie zum Beispiel der CEM 3320, sind in vielen Geräten der 1980er Jahre zu finden. Zum Beispiel im Fairlight CMI II/IIx, Oberheim OB-8 und OB-Xa, aber auch im Prophet 5 Gen3. In Drumcomputern wie der LinnDrum und der Linn 9000 ist er ebenso zu finden wie im PPG Wave 2. Als die Hochzeit der ersten analogen polyphonen Synthesizer mit dem Erscheinen des Yamahas DX7und des Rolands D50 langsam zu Ende ging, endete zunächst auch die Produktion der SSM- und CEM-Chips.
Analog-Boom macht Chip-Klassiker wieder verfügbar
Heute werden Altbestände dieser ICs zu teilweise horrenden Preisen gehandelt. Glücklicherweise sind in den letzten Jahren, nicht zuletzt durch den Analog-Boom, Firmen wie Coolaudio und Sound Semiconductor auf den Plan getreten. Dort werden ICs wie das 24dB-Filter SSM 2044 unter der Bezeichnung V2044A (SSI2144) hergestellt. Aber auch CEM-Chips werden dort gefertigt. In Litauen produziert heute die Firma ALFA den AS3320, einen Nachbau im Stil des CEM 3320 Filter-Designs.
Wer sich für Details zur Implementierung dieses Filter-Chips in bestimmten Synthesizern wie dem Sequential Pro-One, Oberheim OB-Xa und Elka Synthex interessiert, sollte diesem Link folgen. Dank der Renaissance der SSM- und CEM-Chips finden wir heute eine reichhaltige Auswahl an Eurorack-Modulen, wie beispielsweise das Fonik SSM2044 VCF, oder das G-Storm Electro Pro VCF 3320. Und auch moderne polyphone Synthesizer, darunter Produkte von Sequential wie die Evolver-, oder Prophet-Varianten.
Audiobeispiele zum CEM 3320 Filter
Es 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. Diese Grundeinstellungen gelten auch für die nachfolgenden Audiobeispiele.
Eine Bass-Sequenz durch das CEM 3320 Filter eines Sequential Prophet 5 Rev. 3. Zunächst ohne Feedback, dann mit mittlerem Feedback und schließlich mit einsetzender Resonanz.
Beim Prophet 5 ist Filter-FM direkt per Regler verfügbar. Das erzeugt ein spezielles Grollen das sich bei hohen Resonanzeinstellungen dann in ein Gurgeln verwandelt.
SSM und Curtis waren Pioniere in der Entwicklung spezieller Schaltungen für die Audio- und Analogsynthese. Mehr darüber in unserer Kurzgeschichte.
Um welches Filter-Design handelt es sich beim Lowpass-Gate?
Wie der Name bereits vermuten lässt, handelt es sich beim Lowpass-Gate um ein spezielles Filter-Design, bei dem ein Lowpass-Filter mit einem Gate oder VCA (Voltage Controlled Amplifier) kombiniert wird. In seiner ursprünglichen Form ist das Lowpass-Gate übrigens resonanzfrei. Begeben wir uns von der Ostküste, von Moog und ARP, an die Westküste der USA, wo ein gewisser Don Buchla seine ganz eigene Vision von modularen Synthesizern entwickelte. Im Gegensatz zur subtraktiven Synthese, bei der aus sehr obertonreichen Grundwellenformen mit Hilfe eines steilflankigen, resonanzfähigen Filters der Klang geformt wird, entsteht im Buchla-Universum der Klang oft durch dynamische Frequenzmodulation (FM), Ringmodulation (RM) und Wave-Shaping (WS). Da häufig Sinusschwingungen als Grundwellenform zum Einsatz kommen, ergeben sich durch dynamische FM, RM und WS bereits filterähnliche Effekte. Schon aus diesem Grund stehen hier nicht die üblichen Filtermodelle im Vordergrund. Stattdessen kommt ein Lowpass-Gate (LPG) zum Einsatz, wie zum Beispiel beim Buchla Music Easel.
Üblicherweise bietet das Lowpass-Gate Filter-Design drei Funktionsweisen: Als reines Lowpass-Filter, dessen Grenzfrequenz durch den Signalpegel bestimmt wird. Als Kombination aus Lowpass und VCA mit gleichem Verhalten und schließlich als reiner VCA. Auch in den letzten beiden Betriebsarten bestimmt der Pegel die Lautstärke bzw. die Filteröffnung.
Welche Eigenschaft zeichnet ein klassisches Lowpass-Gates aus?
Ein charakteristisches Merkmal insbesondere des klassischen Lowpass-Gate Filter-Designs ist die Verwendung von Vactrols. Ein Vactrol ist eine Kombination aus einer Lichtquelle (LED) und einem lichtempfindlichen Widerstand (LDR) in einem lichtdicht gekapselten Gehäuse. Das Besondere an diesen Vactrols ist ihre „langsame“ Übertragungskennlinie, die zudem das Ansprechverhalten des Filters/VCA bestimmt. Dies kommt perkussiven Klängen mit steilen Transienten entgegen, die das Filter in typischer Weise ‚anschwingen‘. Auch FM-Klänge und Timbre-Modulationen benötigen ein weiches, dynamisch reagierendes Filter.
Audiobeispiele zum Lowpass-Gate Filter-Design im Buchla Music Easel
Zunächst ein Sweep mit zwei Sägezahnwellen, bzw. dem, was ein Buchla Music Easel zu bieten hat. Im ersten Teil der Sequenz ist ein dynamisches Waveshaping mit dezenten FM-Anteilen zu hören, die mit zunehmendem Tonhöhen- und Frequenzversatz klanglich immer metallischer werden.
Mittlerweile gibt es auf dem Eurorack-Markt zahlreiche Modelle von LPGs in allen Variationen: Mit Vactrol, auf Röhrenbasis oder auch mit regelbarer Resonanz.
Zum Schluss
Wie man hört, wird der charakteristische Klang eines bestimmten Synthesizer-Filters nicht nur durch sein Design bestimmt. Auch der vorgeschaltete Mixer für die Wellenformen kann sehr unterschiedlichen Einfluss auf das Filterverhalten haben. Manchmal punktet aber auch die technisch einfachste Lösung, die dann durch weitere Vereinfachung „optimiert“ wird, wie im Falle des Korg MS-20 Filters, einer wahren Charakterikone. Dass ein komplettes Filter in einem integrierten Schaltkreis verschwindet, lässt zunächst an digitale Schaltungen denken. Diese waren damals aber lediglich zur Organisation der Parameter zu gebrauchen. In den CEM- und SSM-Chips und ihren neuen Verwandten ist allerdings immer noch alles analog, nur die Größenverhältnisse haben sich geändert. Kompakte und leistungsfähige Analog-Polyphon-Synthesizer wurden durch diese Entwicklung überhaupt erst möglich und haben sich inzwischen durch ihren frischen und durchsetzungsfähigen Klang in allen Leistungsklassen wieder neu behauptet.
Ein herzliches Dankeschön geht an Hanno Kahl (Bexstudioton) und Christian Hecker für die Leihgabe von Minimoog und Prophet-5.
