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63607 Funktion und Modellierung von Transistor-Filtern - Martin Förster 03. August 2018 05:26:45

Ich würde gerne das Transistor-Filter von Robert Moog, welches er in seinem Musiksynthesizer patentiert hat, in Software nachbauen und wollte es dazu simulieren, um es zu verstehen. Es geht um diese Schaltung hier:

www.bernacomp.com/elec/og2/og3_moogladder1.gif

So eine richtige Erklärung wie das funktioniert, ist nirgendwo zu finden.

Auf der Suche nach spice-Modellen bin ich hier hin gekommen:
www.96khz.org/files/2004/analog_modelling_emulation_moog_ladder_transistor_filter_abm.gif

Dort wird die Schaltung um parasitäre Bauelemente erweitert, aber auch nicht erklärt.

Hat jemand eine Idee, wie die funktioniert? Wie wirkt der Einfluss der Spannung auf den sich bildenen Filter?


63608 Re: Funktion und Modellierung von Transistor-Filtern - Theodor Wadelow 03. August 2018 10:44:1663607

Hallo Martin,

Ich würde gerne das Transistor-Filter von Robert Moog, welches er in seinem Musiksynthesizer patentiert hat, in Software nachbauen und wollte es dazu simulieren, um es zu verstehen. Es geht um diese Schaltung hier:
> www.bernacomp.com/elec/og2/og3_moogladder1.gif
.. und www.bernacomp.com/elec/og2/og3_moogladder2.gif

Kennst Du ht tps://pdfs.semanticscholar.org/c490/4c04a7be1d675e360409178da71a1253f6d8.pdf ?

> So eine richtige Erklärung wie das funktioniert, ist nirgendwo zu finden.
Nein, frei ist das nicht verfügbar. Eine Beschreibung des Verhaltens des Filters gibt's von Herrn Moog selber: ht tps://www.moogmusic.com/sites/default/files/Download.pdf
Eventuell würde in dem kostenpflichtigen Artikel von Moog bei der AES noch was stehen: ht tp://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=1027
Oder mal ins Patent selber gucken: ht tp://www.till.com/arptech/pdf/p3475623.pdf

> Auf der Suche nach spice-Modellen bin ich hier hin gekommen:
> www.96khz.org/files/2004/analog_modelling_emulation_moog_ladder_transistor_filter_abm.gif
> Dort wird die Schaltung um parasitäre Bauelemente erweitert, aber auch nicht erklärt.
Der Herr Schuhmacher von 96kHz.org macht sich mit dem Transistormodell die Mühe, einen Substratanschuß herzustellen,
wie er im Prinzip bei integrierten gematchten Transistoren wie dem CA3046 vorkommen könnte. Ansonsten verstehe ich sein
Modell nicht. Insbesondere die Parallelschaltung von Dioden und Kondensatoren an der Basis macht auf den ersten Blick
keinen Sinn, denn diese Bauteile sind idR. doch als ideal simuliert, d.h. die Kapazitäten könnte man einfach addieren.
Und eine Verstärkungsfunktion ist in seinem Transistormodell auch nicht erkennbar, allerdings ist das nach dem Artikel
von Herrn Huovilainen ja auch garnicht erforderlich. Insofern handelt es sich wohl um ein spezielles Modell für die
Simulation der Moog-Leiter. Hier müßte man etwas mehr Hintergrundwissen zu der Simultion haben :-/

> Hat jemand eine Idee, wie die funktioniert? Wie wirkt der Einfluss der Spannung auf den sich bildenen Filter?
Siehe die Gleichung 10 von Herrn Huovilainen: Je höher dV/dt, desto größer die mögliche Frequenz. Dieser Term hängt
proportional von Ictl ab, dem durch die Steurspannugn ausgelästen Längsstrom durch die Transistorpaare.
Also: Je höher die Steuerpannung desto höher der Längsstrom desto höher die Cutoff-Frequenz.
In naive Worte gepackt: Je höher der Strom durch den Transistor, desto kleiner muß sein Basis-Emitter-Widerstand sein
um bei gegebener Spannung diesen Strom fließen zu lassen. Dieser variable Basis-Emitter-Widerstand wird nun als 'R' in ein
R-C-Glied gepackt dessen Grenzfrequenz somit verstellbar ist.


Das Patent von Moog gibt Beispiele in Fig. 4
Wichtig ist Moog das exponentielle Verhalten der Cut-Off-Frequenz zur Steuerspannung (Vc), was dann einen extem breiten
Verstellbereich gibt. Also z.B.
Vc -> Cutoff
-------------
1v -> 100 Hz
2v -> 1k Hz
3v -> 10k Hz

Moog sagt im Patent, 1:1000 in der Frequenz ist möglich. Das wäre für Musik schon ganz passend, wenn man dann zwischen z.B. 10 Hz und 10kHz die Grenzfrequenz setzen kann.

-Theo


63609 Re: Funktion und Modellierung von Transistor-Filtern - Martin Förster 04. August 2018 01:21:5163608

Hallo Theo, vielen Dank für die einleitenden Infos.

Den einen Moog-Artikel hatte ich mir schon gezogen, aber das AES-Papier könnte wirklich interessant sein.

>Herr Schuhmacher von 96kHz.org macht sich mit dem Transistormodell die Mühe, einen Substratanschuß herzustellen
ja, das scheint mehr ein Technologiemodell zu sein und für meine Zwecke unpraktisch.

> eine Verstärkungsfunktion ist in seinem Transistormodell auch nicht erkennbar, allerdings ist das nach dem
> Artikel von Herrn Huovilainen ja auch garnicht erforderlich.
Ich gehe davon aus, dass die Verstärkungen in den Gleichungen versteckt sind.


>In naive Worte gepackt: Je höher der Strom durch den Transistor, desto kleiner muß sein Basis-Emitter-Widerstand sein
>um bei gegebener Spannung diesen Strom fließen zu lassen. Dieser variable Basis-Emitter-Widerstand wird nun als 'R' in ein
>R-C-Glied gepackt dessen Grenzfrequenz somit verstellbar ist.
Sowas hatte ich mir schon gedacht. Jetzt frage ich mich, warum man den variablen R nicht einfach in Software veriieren kann?

>Wichtig ist Moog das exponentielle Verhalten der Cut-Off-Frequenz zur Steuerspannung (Vc), was dann einen extem breiten
>Verstellbereich gibt.
Ich dachte bisher, dass der exponentielle Verlauf mit dem generellen Verhalten der Synthesizer zu tun hat, die Spannung für jede Oktave zu verdoppeln.
Folglich sollten sich die Filter generell auch so verhalten. Ist denn nun bei den Moogs überhaupt noch etwas anders?


63610 Re: Funktion und Modellierung von Transistor-Filtern - Theodor Wadelow 04. August 2018 21:43:0563609

Hallo Martin,

>>In naive Worte gepackt: Je höher der Strom durch den Transistor, desto kleiner muß sein Basis-Emitter-Widerstand sein
>>um bei gegebener Spannung diesen Strom fließen zu lassen. Dieser variable Basis-Emitter-Widerstand wird nun als 'R' in ein
>>R-C-Glied gepackt dessen Grenzfrequenz somit verstellbar ist.
>Sowas hatte ich mir schon gedacht. Jetzt frage ich mich, warum man den variablen R nicht einfach in Software veriieren kann?
Das kommt wohl auf die Tiefe der Simulation an. Wenn Du mich bitten würdest, Dir eine menge x von Samples in Software durch
einen Tiefpass 4. Ordnung zu schicken würde ich dir entweder was mit 2 Fouriertransformationen oder FIR oder IIR-Filtern bauen
wollen. Aber das wäre dann kein simulierter Moog-Filter mehr. Die Spezialität der Selbst-Oszillation des Filters wäre dann auch
dahin, aber ein IIR-Filter könne dass vielleicht auch. Oszillationen in IIR-Filtern sind sonst wie die Pest zu vermeiden, aber
hey, Tuning ist Kundensache. Diese 3 Methoden gehen aber alle nicht verzögerungsfrei, eine Fouriertransformation hat eine
Blockgröße und die *IR-Methoden haben eine Durchlaufzeit durch das Schieberegister, wenn ich das richtig verstehe.
Für ein sampleweise Simulation bietet es sich also ggf. an, die zugrundeliegende Differenzialgleichung schrittweise auf dem
Eingangssignal laufen zu lassen. Das ist allerdings meine Theorie dazu, ich muß mit praktischem Erfahrungswissen zu tatsächlicher
Echtzeit-Filterung leider passen.
Die 'originalgetreue' Simulation machen die Leute nur, damit das Simulationsergebnis auch wirklich originalgetreu wird.
Die älteren Systeme warten meist nicht perfekt, die Nichtlinearitäten verbucht das menschliche Gehör dann als "warm" und "stilvoll".
Siehe Schallplate versus CD, Röhrenverstärker vs. Op-Amp und so weiter. Wenn man also ein Folgesystem anbeitet, dann sollte
das nicht zu 'gut' sein, sonst mag der Kunde das nicht.

>>Wichtig ist Moog das exponentielle Verhalten der Cut-Off-Frequenz zur Steuerspannung (Vc), was dann einen extem breiten
>>Verstellbereich gibt.
> Ich dachte bisher, dass der exponentielle Verlauf mit dem generellen Verhalten der Synthesizer zu tun hat, die Spannung für jede Oktave zu verdoppeln.
Oktave: Verdopplung der Frequenz; eine(!) Einheit der Spannung mehr == exponentielles Verhalten: f(U) = f0 * 2^U = f0 * exp( ln(2) * U )
> Folglich sollten sich die Filter generell auch so verhalten. Ist denn nun bei den Moogs überhaupt noch etwas anders?
Nö, das mit der Abhängigkeit von Steuerspannugn zu Frequenz muß nicht so sein. Kommt ganz auf die Schaltung und die Bauteilekennlinien an.
Für die westliche Musiktheorie mit der Oktave grundlegendes liegendes Tonintervall ist das einfach nur praktisch.
Und damit, daß Herr Moog einen Schaltkreis gefunden hat, der das Verhalten zeigt und praktisch nutzbar macht, hat er (hoffentlich) Millionen verdient.
Vergessen wir nicht, 1965 war der Transistor noch neu und an Alternativen, wie digitale Filter in Echtzeit auf gesampelte Signale zu legen
wurde zumindest für so "billige" Sachen wie Musik noch nicht zu denken.

-Theo


63612 Re: Funktion und Modellierung von Transistor-Filtern - Martin Förster 09. August 2018 17:47:5263610

Hallo Theo

da haben wir wieder einen neuen Aspekt: Die Filter schwingen? Ich dachte es sein Filter erster Ordnung, die sich verhalten wie ein RC-Tiefpass. Mit dem Transisor als "R"?


63613 Re: Funktion und Modellierung von Transistor-Filtern - Theodor Wadelow 11. August 2018 11:16:2663612

Hallo Theo
> da haben wir wieder einen neuen Aspekt: Die Filter schwingen?
Moog-Filter ?! Ja. Deswegen Moog-Filter. Wenn man den Emphasis-Regler (zu) weit aufdreht hat man einen Oszillator bei der eingestellten Grenzfrequenz schwingt.

> Ich dachte es sein Filter erster Ordnung, die sich verhalten wie ein RC-Tiefpass. Mit dem Transistor als "R"?
Siehe Schaltplan:
>>> www.bernacomp.com/elec/og2/og3_moogladder1.gif
>>.. und www.bernacomp.com/elec/og2/og3_moogladder2.gif
Der Filter besteht aus 4 Stufen, mit C4-C7 als jeweils identifizierbarem Kondensator.
Jede Stufe ist ein RC-Tiefpass. Bei der Grenzfrequenz hat so ein Filter 45° Phasenverschiebung, 45x4 = 180°, Emphasis koppelt negativ (==180° Phasenverschoben) zurück, es resultiert eine stabile Schwingmöglichkeit bei genau dieser Frequenz. Im Patent in Fig. 5 ist das angedeutet, der 'Hügel' vor dem Abfallen der Frequenzgangkurve ist der Beginn des Schwing-Regimes. Die Schwingung setzt ein, sobald die Gesamt-Verstärkung der Schaltung hier 1,0 erreicht oder überschreitet.
Eine RC-Stufe hätte übrigens 6dB/Oktave Frequenzgang, mit den 4 Stufen kommt man dann auf 24 dB/Oktave.

-Theo


63618 Re: Funktion und Modellierung von Transistor-Filtern - Martin Förster 23. September 2018 15:40:4263613

Hallo Theo, danke für diese Erklärungen. Blicke schon besser durch.
Wird wohl Zeit mich wieder mehr mit "Analog" zu befassen :-)
(alles mal gelernt aber wieder vergessen)


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