Das TDA1541-Projekt

Teil 2: Die Ausgangsstufe ohne Filter

Wenn wir uns im ersten Teil der TDA1541-Reihe noch mit dem philosophischen Hintergrund der noOS/noFi-Designs beschäftigt haben, geht es diesmal sofort in medias res: Der Umbau der Analogstufe unseres Marantz steht an, die wir fast vollständig entkernen, um die Ausgangsfilter zu entfernen und die Stufe für die passive I/V-Wandlung vorzubereiten.

Kleiner Rundgang durch die Ausgangsstufe

Im Bild ist die Ausgangsstufe unseres Testvehikels Marantz CD65 MKII abgebildet, die so oder in ähnlicher Form in vielen CD-Playern jener Zeit verbaut wurde. Lassen wir die Spannungsversorgung außer Acht und wenden uns dem Signalfluss zu.

Die Stromausgänge des TDA1541 werden klassischerweise mit AOL und AOR bezeichnet und füttern ohne Umwege die erste Operationsverstärkereinheit. Diese erfüllt mehrere Aufgaben, denn neben der Strom-/Spannungswandlung "baut" sie bereits den ersten Tiefpass des Ausgangsfilters. Parallel dazu befinden sich die Filterelemente der Deemphase nebst ihrer Ein-/ Ausschalter. Alle diese Bauteile müssen im Zuge unseres Umbaus entfernt werden, denn es darf (zunächst) kein Bauteil mehr mit den Knoten AOL und AOR verbunden sein. Die Schalter der Deemphase werden mit entfernt, allerdings sollte das Signal, vom Decoder kommend, immer noch abgeschlossen sein beziehungsweise werden, denn "baumelnde" Signale sind nun wirklich schlechter Stil.

Das gleiche Schicksal des Ausbaus erleidet auch die zweite OPA-Stufe, die im Grunde ein Filter zweiter Ordnung ist, solange die Spule im Rückkopplungszweig keine dominante Rolle spielt. Insgesamt ist das bestehende Ausgangsfilter also dritter Ordnung, wobei ich ad hoc nicht beurteilen kann, welcher Charakteristik das Filter folgt. Da wir das Filter entfernen wollen, sollte es auch keine zu große Rolle spielen.

An die Filterstufe schließt sich das Muting an, dessen Sensor- und Steuerpart in der Mitte recht nett ausgeführt wurde und in der Schaltung bleiben kann. Ob man die Mute-Transistoren nebst ihren Vorwiderständen entfernt oder nicht, hängt vom persönlichen Geschmack ab: Einerseits möchte man beim Ein- und Ausschalten des Geräts keine Störgeräusche hören, andererseits stehen Transistoren, die Analogsignale kurzschließen, nicht im Verdacht, den Klang zu verbessern. Im Hause McIntyre verwendet man für diese Aufgabe grundsätzlich Relais, also müssen die Transistoren und ihr Beiwerk ebenfalls die Platine verlassen.

Im Schaltplan beschließt der Kopfhörerverstärker die Analogstufe. Dieser sitzt jedoch auf einer eigenen Platine und ist mit unserer "Baustelle" lediglich verkabelt, so dass ein Deaktivieren die kleinste Mühe macht.

Großer Kundendienst

Eine sehr nette Eigenschaft unseres CD65 MKII ist, dass er in wenigen Minuten komplett zerlegt ist und die Hauptplatine für ein bequemes Arbeiten freigibt. Diese Möglichkeit sollte man auch dahingehend nutzen, dem Gerät einen ordentlichen Kundendienst zu verpassen. Mit etwa 25 Jahren auf dem Buckel gehören Verschleißteile wie Elkos und Potis erneuert, und die Lötstellen freuen sich über frisches (bleihaltiges) Zinn.

Bei den Abgleichpotis des Laufwerks ist allerdings Vorsicht geboten: man sollte sie tatsächlich nur dann ersetzen, wenn man das Laufwerk auch von Grund auf neu abgleichen kann, sonst könnte das Projekt ein vorzeitiges Ende finden.

Prinzipiell sind natürlich alle (!) Elkos der Platine Tauschkandidaten. Wer soviel Geduld nicht aufbringen kann, kann sich notfalls auch auf das Netzteil beschränken, aber diese sind nun wirklich Pflicht, wenn man mit dem Gerät längerfristig Spaß haben will.

Wer ohnehin Spaß am Löten hat, der kann die Silizium-Gleichrichterdioden mit Schottky-Typen ersetzen. Wobei wir uns zum dadurch erreichbaren Klangfortschritt jeden Kommentars enthalten.

Eine Geschichte macht aber sogar uns Kopfzerbrechen, und das sind die Decoupler-Caps rund um den DA-Wandler (siehe Bild), denn die sind in SMD ausgeführt und unterhalb des Chips verlötet. Eigentlich sollten sie raus, aber 100nF feinste Folienkondensatoren in der Bauform 1206 oder kleiner sind uns nicht bekannt. Wer sachdienliche Hinweise geben kann, möge sich bitte mit uns in Verbindung setzen - wir werden uns zu revanchieren wissen.

Mit Ausnahme der Decoupler am DA-Wandler haben wir unserem Exemplar einen vollständigen Kundendienst gegönnt und für einen ersten Funktionstest die ersten Widerstände zur I/V Wandlung eingelötet. Nun spielt der CD-Player zwar wieder, aber über die beiden Widerstände wird man sich nochmal gesondert unterhalten müssen...

Was haben wir da eigentlich ausgebaut?

Man kann sich der Bedeutung der Ausgangsfilter im CD-Player aus verschiedenen Richtungen nähern. Sachdienlich erscheint uns die Betrachtung der Signalspektren, so wie sie aus dem DA-Wandler purzeln. Diese haben wir nachfolgend idealisiert gezeichnet, oben in der Abbildung das Spektrum für den aktuellen Stand mit noch vorhandenem vierfach Oversampling und unten für die Zukunft des non-Oversamplings.

Selbstverständlich finden wir das gewünschte Nutzspektrum, das gemäß den CD-Standards den Frequenzbereich von 20 Hertz bis 20 Kilohertz umspannt. Unerwünscht dagegen ist, dass das gleiche Spektrum noch zweimal erscheint, nämlich symmetrisch um die Abtastrate von 176.4 Kilohertz (Vierfach-Oversampling, 4*Fs) beziehungsweise 44.1 Kilohertz beim Non-Oversampling (1*Fs).

Der Vollständigkeit halber ist für das Vierfach-Oversampling eine mögliche Filterkurve mit eingezeichnet: ein Tiefpass 3. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von Fs, also 44.1 Kilohertz. Bereits hier wird deutlich, dass durch einen noOS-Umbau ein unverändertes Filter keinen wirklichen Sinn mehr machen würde, weil zumindest das "untere" unerwünschte Spektrum vom Filter nicht mehr gedämpft würde.

Unabhängig vom Oversampling lautet das erste Argument der noFi-Anhänger schlicht, dass die dem CD-Player nachgeschalteten Komponenten wie die Lautsprecher diese hohen Frequenzen nicht übertragen können, und außerdem unser Gehör je nach Disco-Schaden und Alter schon deutlich unter 20 Kilohertz "zumacht", was die Ausgangsfilter sinnlos erscheinen lässt.

Intermodulationsverzerrungen

Die Einschränkungen des menschlichen Gehörs bestreitet auch "Die Lehre" keineswegs, ganz im Gegenteil, trotzdem sind Filter, die die unerwünschte Frequenzen abschneiden, alles andere als überflüssig, schon alleine wegen der Intermodulationsverzerrungen. Intermodulationsverzerrungen scheinen zwar irgendwie aus der Mode gekommen zu sein, nichtsdestotrotz gibt es sie, solange der ideale Verstärker aus idealen Bauteilen noch nicht erfunden wurde. Dabei ist nicht unser noOS-/noFi-Player das Problem, sondern der Verstärker dahinter, der mit seiner Nichtlinearität aus zwei gegebenen Frequenzen eine Reihe neuer Frequenzen generiert. Beispiel: Das Nutzsignal soll aus einem simplen 10 Kilohertz Ton bestehen. Ein filterloser noOS-Player wird im "unerwünschten" Frequenzbereich den gleichen Ton nochmals ausgeben, symmetrisch um die Abtastfrequenz, ergo mit 34.1kHz und 54.1kHz. Nehmen wir alleine die 34.1 und schicken sie zusammen mit den 10.0 zum Verstärker, dann generiert dieser Mischprodukte mit der Vorschrift [34.1 +/- n * 10]. Wir bekommen also am Ausgang des Verstärkers zusätzlich zu den 10 Kilohertz noch mindestens 34.1, 24.1, 14.1 usw. Kilohertz "geschenkt". Die möchte aber niemand haben, auch nicht mit den üblicherweise kleinen Pegeln, weil sie in kein musikalisch-harmonisches Konzept passen und dergestalt schlichtweg hässlich klingen.

Die noFi-Fraktion, die sich der Intermodulation durchaus bewusst ist, legt mit dem zweiten Argument nach, dass die dadurch entstehende Klangbeeinträchtigung immer noch kleiner sei als die "Nebenwirkungen" der Ausgangsfilter.

Filtereigenschaften

Die angedeuteten Nebenwirkungen sehen wir uns am besten wieder in einem Beispiel an. Im folgenden Plot sind die Frequenzgänge eines Bessel- und eines Butterworthfilters gezeichnet, beides typische Ausgangsfiltern-Typen, jeweils dritter Ordnung und mit einer Grenzfrequenz entsprechend der Abtastrate von 44.1kHz. Der obere Teil des Bildes spiegelt den Amplitudenverlauf (durchgezogene Linien) plus die Gruppenlaufzeit (gestrichelt) wieder, während der untere Teil die klassische Paarung Amplitudengang (durchgezogene Linien) plus Phasenverlauf (gestrichelt) zeigt. Es sind übrigens real existierende Implementierungen, was man bereits an der leicht unterschiedlichen Grenzfrequenz erkennt, andernfalls müssten die Amplitudengänge beider Typen im Sperrbereich deckungsgleich verlaufen.

Das Besselfilter ist anhand der Gruppenlaufzeit leicht identifizierbar, denn diese verläuft bis an die Grenzfrequenz wunderbar konstant. Deshalb ist die Besselcharakteristik wohl die am meisten verwendete, weil die konstante Gruppenlaufzeit für eine optimale Impulsübertragung im Durchlassbereich bürgt. Das Butterwortfilter besitzt diese Eigenschaft nicht; die Gruppenlaufzeit bildet hier um die Grenzfrequenz einen Buckel. Dafür punktet das Butterworthfilter aber mit seinem Amplitudengang, der nahe der Grenzfrequenz nicht so früh abfällt wie die Bessel-Variante. Das ist im Bild zwar nur mit der Lupe zu entdecken, aber die feinen Unterschiede zwischen verschiedenen Filtertypen sollen heute auch nicht das Thema sein.

Gleichwohl lässt es sich bereits innerhalb der Filterbefürworterschaft vortrefflich streiten, wenn man die Parameter Filter-Typ, Filter-Ordnung und Einsatzfrequenz ins Spiel bringt und diese Parameter mit dem Faktor der Überabtastung kombiniert. Und tatsächlich gibt es unter den aktuellen CD-Playern durchaus ein paar wiederkehrende Kombinationen, aber mindestens genau so viele Player machen ihr eigenes Ding.

Was aber alle Filter vereint, und damit sind wir wieder beim Hauptthema, ist ihre gemeinsame Eigenschaft, kräftig die Phase des Nutzsignals zu drehen. Tiefpässe dritter Ordnung drehen die Phase insgesamt um 3 mal 90 gleich 270 Grad. Allerdings dreht die Phase beileibe nicht nur im Übergangs- und Sperrbereich, sondern bereits im Durchlassbereich, in dem sich unser Nutzspektrum tummelt. Beachten Sie bitte im unteren Teil der Abbildung, wie das Zerren an der Phase (gestrichelte Linien) bereits im Kilohertzbereich (des Nutzsignals!) beginnt und bei 20 Kilohertz stattliche 45 Grad erreicht - und zwar für beide Filtertypen. Ist das das Ideal eines Stück Drahts?

Wir sind hier an einem Punkt angekommen, wo wir die Wahl zwischen Not und Elend haben. Intermodulationsverzerrungen oder Filterfehler oder beides, denn unendlich ist die Dämpfung der unerwünschten Spektren nämlich auch nicht, was darf es sein? Mit einer theoretischen Erörterung wird man keine finale Antwort finden; das haben wir im ersten Teil dieser Serie angekündigt und mit den Ausführungen oben quasi bewiesen. Und genau deshalb haben wir das TDA1541-Projekt gestartet, um am Ende unsere Ohren entscheiden zu lassen.

Leider gibt es dieses Mal noch keinen Soundcheck, unter anderem weil das Silben-Budget längst überzogen ist, dafür hören wir das nächste Mal bereits mit Röhre.

Bis zum nächsten Mal,

Ihr Team von McIntyre-HiFi

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