Das RIAA-Filter
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Infos RIAA Filter

Funktion des RIAA-Filters
RIAA Filtertypen
RIAA Genauigkeit
Klang Erwartungen
Neumann-Konstante
Wahrheit oder Märchen?


Bekannterweise wird bei Schallplattenaufnahmen der Frequenzgang verändert, um gewisse Schwierigkeiten auszugleichen.
Tiefe Frequenzen werden abgesenkt, da Rillenbreite und Nadelauslenkung sonst überdimensionale Werte erreichen würden.
Hohe Frequenzen werden angehoben, da das Signal sonst im Rillen- und Nadelgeräusch und Verstärkerrauschen untergehen würde.
Die Aufnahme wird nach einer genau festgelegten Filterkurve "verzerrt" und die Phono-Vorstufe muss ein möglichst genaues spiegelbildliches Filter aufweisen, um den Frequenzgang wieder zu entzerren.
Daher spielt das RIAA-Entzerrfilter die zentrale Rolle in der Schaltung einer Phono-Vorstufe.
Funktion des RIAA-Filters
Die Skizzen sind zum besseren Verständnis nur schematisch dargestellt

Bei der Aufnahme werden zwei getrennte Filter eingesetzt.
1. Die Höhen werden mit einer Eckfrequenz von 2122,1285 Hz angehoben. Diese Frequenz ergibt sich durch die von der RIAA festgelegten Zeitkonstante von 75µs.
2. In einer weiteren Stufe werden die Tiefen mit einer Eckfrequenz von 500,50200 Hz (318µs) abgesenkt. Diese Absenkung wird bei 50,050200 Hz (3180µs) gestoppt. Würde man nicht stoppen, so müsste das Wiedergabefilter bis hinunter zur Gleichspannung theoretisch unendlichkeit verstärken. Deshalb ist dieser dritte Pol nötig und genau definiert, damit es beim Wiedergabefilter wieder eine komplementäre Null ergibt.

< Die beiden Skizzen zeigen die Frequenzverläufe der beiden Filter, die hier mal einzeln dargestellt sind.
Erst wenn beide Filter summiert werden, zeigt sich die bekannte RIAA-Kurve mit einer leichten Welligkeit im mittleren Bereich (nicht dargestellt).
Es ist deutlich zu erkennen, dass dieses Filter aus drei definierten Polen (Eckfrequenzen) besteht.

Es ergibt sich eine Pegeldifferenz zwischen 20Hz und 20kHz von 40dB (100-fach). Bezogen auf die relative Null-dB Linie spricht man von einer Höhenanhebung von+20dB bei 20kHz und einer Tiefenabsenkung von -20dB bei 20Hz, während 1kHz unverändert bleibt (Bezugslinie).


Bei der Wiedergabe muss die Filterkurve ein sogenanntes Spiegelbild aufweisen. Die dB-Angaben sind nur relaiv zueinder zu verstehen.
Die Praxis sieht anders aus. Um einen Line-Pegel von ca. 500mV zu erreichen, müssen im RIAA-Verstärker die einzelnen Frequenzen mit folgenden Faktoren verstärkt werden:
f
MM-System  5mV/1kHz
MC-System  0,5mV/1kHz
20Hz
0,5mV 1.000-fach (+60dB)
0,05mV 10.000-fach (+80dB)
1kHz
5mV 100-fach (+40dB)
0,5mV 1.000-fach (+60dB)
20kHz
50mV 10-fach (+20dB)
5mV 100-fach (+40dB)

Die relativen Pegel gemäß der Skizze bleiben bestehen. Es muss immer eine Amplitudendifferenz von 40dB verarbeitet werden.
20Hz Entzerrung nach IEC
Die Kommission hat später mal vorgeschlagen, bei Wiedergabe eine Absenkung unterhalb 20Hz (6dB/Okt) vorzunehmen. Das soll eventuelle Rumpelgeräusche besser unterdrücken. Tatsache ist, dass bei der Wahl eines solchen Eckpunktes die Kurve bereits bei ca. 100Hz die 0-dB Linie verlässt. Gewaltige Bassfundamente werden da wohl schon begrenzt.
Manche wenden es an - manche wenden es nicht an. Bei der heutigen Qualität der Laufwerke erscheint uns eine Absenkung nur unterhalb 10Hz als sinnvoll, da bei diesen Frequenzen immer mal sogenannter Infraschall durch Trittschall, Plattenunebenheiten, Materialresonanzen, usw. auftreten kann. Das muss die nachfolgende Elektronik zusätzlich zum Signalgemisch verarbeiten, wobei zu bedenken gilt, dass in diesem Tiefst-Bereich die Verstärkung des Signals 40dB höher liegt als bei 20kHz. Bei hohen Lautstärken können dann noch zusätzlich Membran-Übersteuerungen des Tieftöners vorkommen.
In der Praxis genügt eine leichte Absenkung dieses Infraschallbereiches bei einem -3dB Punkt bei 10Hz. Das ergibt -10dB bei 5Hz, -0,5dB bei 20Hz und Verlassen der Null-Linie bei <50Hz. Dadurch bleiben Bassfundamente klanglich so gut wie unberührt.
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RIAA Filtertypen
Die Schaltung eines RIAA-Filters ist nicht festgelegt. Da bleibt viel Spielraum, hauptsache die RIAA-Kurve wird mit einer Grundgenauigkeit erreicht.
Außer einigen exotischen Experimenten gibt es drei grundsätzliche Arten von Filtertypen:
1. Aktiv-Filter
2. Aktiv/Passiv kombiniert
3. Passiv-Filter
1. Aktiv-Filter

Die folgenden vier Skizzen zeigen bekannte Beispiele von reinen aktiven RIAA-Entzerrfiltern. Jedes dieser Filter  wird komplex berechnet. Alle Bauteilwerte beeinflussen sich gegenseitig, da es keine Bauteile gibt, die definitiv für einen Frequenzpol bestimmt sind.
Sie sind nur für MM-Systeme geeignet, da hier ein einziger OP schon bis zu 1000-fach (bei 20Hz) verstärken muss. Soll es für MC-System (10.000-fach) geeignet sein, muss noch eine lineare Verstärkerstufe von ca. 10-30-fach vorgeschaltet werden.
OPs für sehr hohe Verstärkung  (Rauschen und Klirr)
Der sogenannte "Very-Low-Noise" OP LT1028 nähert sich in der Praxis bei Verstärkung 1000 der 0,1% Klirrfaktor Marke.
Weniger Klirrfaktoranstieg zeigt der AD797 = 0,003%, ist aber immer noch höher, als beim audiophilen OP LME47920 oder LM4562 (K=0,00003%).
Die Rauschwerte dieses OPs liegen etwas höher als bei den anderen beiden, liegen aber in einem Bereich, der nicht nennenswert wahrnehmbar ist (bei MM-Systemen gar nicht), da bei sehr kleinen Spannungen die Rauschwerte der Preipheriebauteile und das Widerstandsrauschen des TA-Systems einen immer stärker werdenden Einfluss haben. Man muss also bei der Wahl der OPs sorgfältig abwägen. Die superrauscharmen OPs gehören in der Regel weniger zu den audiophilen. Auch müssen sie mit extrem kleinen Widerstandswerten beschaltet werden, um die niedrigen Rauschwerte theoretisch zu erreichen, was in der Praxis nicht immer möglich ist.

2. Aktiv/Passiv-Filter kombiniert
Diese Skizze zeigt eine Schaltung, in der erst die Höhen passiv abgesenkt und anschließend die Tiefen aktiv angehoben werden. Jedes Filter kann hier unabhängig vom anderen berechnet werden. Die Verstärkungsfaktoren können besser verteilt werden. Für MM-Systeme Stufe 1 = 10-fach, Stufe 2 = 100-fach (20Hz). Für MC-Systeme 2x100-fach. Dadurch arbeiten die OPs in einem günstigeren Klirrfaktorbereich als die einstufigen aktiven Filter, da bei vielen OPs der Klirrfaktor bei hoher Verstärkung (>100) stark zunimmt. Manche befürworten einen Tausch der Filterreihenfolge. Dazu muss aber eine weitere Pufferstufe folgen, da das passive Filter durch den Eingangswiderstand eines folgenden Gerätes verändert wird.

3. Passiv-Filter
Wahrscheinlich aus folgenden drei Gründen werden reine Passiv-Filter von vielen als audiophil unangreifbar bezeichnet.
1. Frei von Gegenkopplungsverzerrungen (Keine Signalschleifen mit entsprechenden Einschwing- und Anstiegszeiten)
2. So gut wie keine Beeinflussung des Einschwingverhaltens (naturbelassene Signalverarbeitung, ohne Rückwirkung auf den Eingang)
3. Wesentlich geringere Verstärkung der OP-Stufen erforderlich (entgegen anderen falschen Behauptungen !!)
1-stufiges Passiv-Filter
Das State of the Art Passiv-Filter seit 1980
Berechnung sehr komplex. Da jedes der vier Bauteile für jede Eckfrequenz gleichzeitig zuständig ist, beeinflusst auch jede Toleranz das gesamte Filterdesign. Daher haben hier Toleranzen einen größeren Einfluss als bei zweistufigen Filter.
Passive Filter arbeiten ohne jede Verstärkung und können daher nur absenken. Eine Tiefenanhebung ist somit nicht möglich. Daher wird die Kurve zu einer Höhenabsenkung umgedreht. Dann folgt die reguläre Höhenabsenkung. Die Pegelverhältnisse sehen folgendermaßen aus:
20Hz-Durchlass = 0dB;  1kHz-Durchlass =  -20dB;  20kHz-Durchlass =  -40dB
Das erfordert eine sehr gute Anpassung an die Verstärkerstufen.
Übliche Verstärkungswerte der einzelnen Stufen für ein Optimum an Rauschen und Übersteuerungsfestigkeit
bei MM insgesamt 60dB:
Stufe vor dem Filter ca. 30dB (32-fach) oder etwas mehr;
Stufe nach dem Filter ca. 30dB  (32-fach) oder etwas weniger.
bei MC insgesamt 80dB:
Stufe vor dem Filter ca. 50dB  (320-fach) oder etwas mehr;
Stufe nach dem Filter ca. 30dB  (32-fach) oder etwas weinger.
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Einige behaupten, dass ein reines Passiv-Filter im Eingang eine sehr hohe Vorratsverstärkung benötigt. Das ist hiermit widerlegt. Im Gegenteil: In einem reinem Aktiv-Filter für MM-Systeme wird im Tieftonbereich mind 1.000 fach (1kHz = 100-fach) verstärkt. Viele OPs haben bei einer solch hohen Verstärkung einen sehr hohen Klirranstieg. 1-stufige aktive MC-Stufen (10.000-fach) sind gar nicht mehr sinnvoll oder möglich, daher muss eine weitere Stufe davor geschaltet werden. 
2-stufiges Passiv-Filter
Eine Steigerung der Qualität wird durch die Aufteilung in zwei passive Stufen ermöglicht. Die Vorrausverstärkung kann dank einer Zwischenverstärkung um 10-20dB gesenkt werden, wodurch viele OPs in einem wesentlich lineareren Bereich arbeiten.
Rausch-, Klirrmäßig und klanglich ein Vorteil.
2-stufiges Passiv-Filter; vollsymmetrisch
Die ultimative Lösung
Kein Massebezug. Daher keinerlei Ausgleichsströme über den empfindlichen Referenzpunkt Masse. Wird die Eingangsstufe zusätzlich mit der Symmetrierfunktion versehen (2.Stufe der Skizze), arbeiten die RIAA-Filter immer voll symmetrisch und es steht am Ausgang immer ein echtes symmetrisches Signal zur Verfügung, auch bei unsymmetrischer Einspeisung. Daher profitieren auch unsymmetrische Eingangssignale von der vollsymmetrischen audiophilen Signalverarbeitung der RIAA-Filter. Der Ausgang kann wahlweise symmetrisch oder unsymmetrisch benutzt werden.
Audiophil wohl unangreifbar  (Demnächst im Lieferprogramm)
Bauteiletoleranzen haben bei diesen zweistufigen Filtern einen geringeren Einfluss auf das Filterdesign als bei dem oben beschriebenen einstufigen Passivfilter.
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RIAA Genauigkeit
Wie genau sollte ein RIAA-Filter sein?
Dazu darf man auch ruhig einmal die Frage stellen: Wie genau wird überhaupt eine Platte aufgezeichnet?
Das kann man nicht immer genau herausbekommen, da das selten dokumentiert wird. Oft wurden fehlerhafte alte Schaltungen einfach kopiert, oft weil den Entwicklern einfach die Kenntnis der normgerechten Entzerrung fehlte (und heute noch manchmal fehlt). Sicher ist jedoch: Eine Aufnahme-Genauigkeit unter 1dB ist seltener als über 1dB. In ganz frühen Jahren waren schon 3dB ein sehr guter Wert. Neumann war sehr pingelig und hielt den RIAA-Fehler auf max +/-0,5dB. Also sollte ein RIAA-Verstärker darunter liegen, damit sich die Abweichungen nicht zu sehr summieren. 0,5+0,5=1,0dB; 0,5+0,1=0,6dB. (Fehler könnten sich auch zufällig so summieren, dass sie sich aufheben).
Auch wenn man bedenkt, dass sich alle Abweichungen des Frequenzganges in der Wiedergabekette summieren - insbesondere die der Tonabnehmersysteme und der Lautsprecher! - so kann man beruhigt davon ausgehen, dass eine RIAA-Abweichung von weniger als 0,1dB völlig unnötig ist. Wir halten uns an die 0,05dB Grenze, um ganz sicher zu sein. Theoretisch wären 0,001 dB mit genauen Messgeräten und engen Temperaturkoeffizienten machbar, aber man muss vorsichtig sein, die Thematik nicht auf einen Altar zu heben, was dann zu einer Glaubenslehre führen könnte.
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Klang-Erwartungen
Präzision
Sämtliche oben beschriebene Filtertypen - aktiv oder passiv - können exakt berechnet werden. Verwendet man entsprechend genaue Bauteilwerte, kann schon mit 1%igen Toleranzen eine Abweichung von max 0,1dB ereicht werden. Selektiert man Bauteile auf mindestens vierstellige Genauigkeit, so sind auch 0,01dB kein Problem. Unter diesen Vorraussetzungen würden sich alle Filter in der RIAA-Genauigkeit messtechnisch nicht unterscheiden.
Klang
Auch wenn messtechnisch keine Unterschiede in der Präzision  festgestellt werden können, so zeigen Hörtests eindeutige Unterschiede. Sie sind nicht immer an bestimmten Messwerten, Schaltungsdetails oder speziellen Bauteilen fest zu machen. Die Tatsache, dass es Unterschiede gibt, sorgt jedoch dafür, dass es eine ständige Suche nach den Ursachen gibt. Manches ist klar: Zu hoher Klirrfaktor oder störendes Rauschen begründen einen schlechteren Klang. Andere Zusammenhänge schälen sich erst durch Erfahrungen im Laufe von Jahren oder Jahrzehnten heraus. Unsere ersten Phonvorstufen für den HiFi-Einsatz wurden bereits Anfang der Siebziger Jahre entwickelt. Damals in reiner Transistortechnik, rauscharme OPs gab es noch nicht. Aber auch damit gab es schon Unterschiede in der klanglichen Wahrnehmung.
Bei der Forschung nach Ursache und Wirkung können wir somit auf über 40 Jahre Erfahrung in unserem Spezialgebiet Filtertechnik zurückblicken. Immer wieder haben sich reine Passiv-Filter als vorteilhaft herausgestellt. Wahrscheinlich gibt es einen Zusammenhang in der Naturbelassenheit der Signalbearbeitung. Nach einem passiven Filter behält ein natürlicher Sinus immer seine exakte natürliche Form. Sie wird nicht durch Gegenkopplungen in einer Signalschleife vom Ausgang zurück zum Eingang durch Einschwingzeiten, Anstiegszeiten, usw. verändert. Daher wenden wir in unserem Top-Modul nie wieder aktive Filter an, zumal rein passive Filter keinen wesentlich höheren Bauteileaufwand erforden.
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Andere Experimente
Vereinzelt hört man von anderen Experimenten und selbstdefinierten Schaltungsbezeichnungen. Teilweise als völlig neu deklariert, so als wäre noch nie jemand darauf gekommen. Doch wenn der Verstand gebraucht wird, dürfte jeder in der Lage sein, unschlüssige Zusammenhänge zu erkennen, oder mindestens zu hinterfragen.
Ein Beispiel: Wenn jemand in einer Phonovorstufe - die er als Referenz bezeichnet - einen Übertrager einsetzt, der in der Regel einen Klirrfaktor von 1% besitzt  bei einer Amplitudenlinearität von +/- 1dB aufweist (ganz seltene liegen bei 0,1% und 0,5dB), die Phonovorstufe aber gleichzeitig mit einem Klirrfaktor von unter 0,01% und eine RIAA-Abweichung von 0,1dB angibt, so muss doch berechtigterweise ein Zweifel aufkommen, bzw. diese Zusammenhänge sollten mal beim Hersteller hinterfragt werden.
 
 
Die Neumann-Konstante
Wahrheit oder Märchen?
siehe hier