Dies ist eine Geschichte über den ersten Phono-Vorverstärker von Grimm Audio, den PW1. Ich habe im Laufe der Zeit eine ganze Reihe von Phonovorverstärkern entworfen, ich schätze zwischen 10 und 20, und dabei alle Arten von Technologien verwendet: Transistoren, Fets und Röhren. Außerdem habe ich drei- oder viermal so viele kommerzielle Phonos für Freunde und Kunden analysiert und modifiziert. Jedes neue Gerät ist eine ernsthafte Herausforderung, sei es, wenn ich selbst ein neues entwerfe oder wenn ich ein kommerzielles Gerät verbessere, das mir ein Kunde zur Verfügung stellt. Es ist unter Designern allgemein bekannt, dass es kein Zuckerschlecken ist, einen wirklich guten Phono-Vorverstärker zu entwickeln. Bei einer Line-Stufe beispielsweise ist es trotz der Tatsache, dass es viele verschiedene Möglichkeiten gibt und eine Vielzahl von Entscheidungen getroffen werden muss, nicht allzu schwierig, ein gut funktionierendes Ergebnis zu erzielen. Sogar ein Leistungsverstärker ist bis zu einem gewissen Grad einfacher als eine Phonostufe.
Was ist also so schwierig an einem Phono-Vorverstärker?
Nun, zunächst einmal sind die Phonosignale, die von Ihrem MM- oder MC-Tonabnehmer kommen, sehr klein. Die meisten MM-Tonabnehmer geben nominell 5 mV aus, aber das gilt für Musik mit durchschnittlicher Lautstärke. Und das bei 1 kHz. Aber bei 20 Hz ist der Ausgang des Tonabnehmers zehnmal kleiner: 0,5 mV, was 500 µV (Mikrovolt, ein Millionstel eines Volt) entspricht. Zum Vergleich: Die meisten Lautsprecher arbeiten mit bis zu 30 Volt. Aber so weit sind wir noch nicht. Musik ist nicht immer laut, in sehr leisen Passagen kann sie 60 dB leiser sein. 60 dB sind das 1000-fache, also sprechen wir jetzt von 5 µV und 500 nV (nano = ein Milliardstel) bei 1 kHz bzw. 20 Hz. Und bei MC-Tonabnehmern ist die Situation noch schlimmer, da ihr Ausgangssignal in der Regel um das 10-fache und in einigen Fällen sogar um das 30-fache niedriger ist als das von MM-Tonabnehmern. Das bedeutet, dass Sie bei MC-Tonabnehmern im schlimmsten Fall mit Signalpegeln von etwa 300 nV zu tun haben: 0,0000003 V. Noch einmal, das gilt für 1 kHz; für 20 Hz fügen Sie eine weitere 0 hinzu! Ist Ihnen schon schwindelig?
Um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, wie klein das ist, lassen Sie uns in Metern statt in Volt rechnen. Erinnern Sie sich an die Spannungen, mit denen ein Lautsprecher betrieben wird, d.h. bis zu 30 V?
Kommen wir nun zu den Metern: 30 m ist die Höhe eines 6-stöckigen Bürogebäudes. Nehmen Sie nun an, dass ein menschliches Haar zu Ihren Füßen liegt, während Sie vor diesem Gebäude stehen. Die Dicke eines menschlichen Haares beträgt etwa 100 µm, aber um ein schwaches MC-Signal zu beschreiben, müssten Sie ein 1/100stel bis sogar 1/300stel der Dicke eines Haares betrachten! Das wäre selbst unter einem Mikroskop nur schwer zu erkennen. Dieser Vergleich macht deutlich, dass es nur allzu leicht ist, diese sehr, sehr empfindlichen Signale zu verfälschen.
Also ja, ein Phonoeingang muss sehr rauscharm sein, im Falle eines MC-Eingangs: extrem rauscharm. Selbst für MM-Eingänge muss die Verstärkung enorm sein, mindestens 60 dB (1000-fach) bei 20 Hz und 40 dB (100-fach) bei 1 kHz. Im Falle eines MC-Eingangs fügen Sie 20 bis 30 dB hinzu, was bedeutet, dass Sie am Ende etwa 90 dB bei 20 Hz (das 30.000-fache!) und 70 dB bei 1 kHz (das 3.000-fache) erreichen, die notwendig sind, um am Ausgang des Phono-Preamps Signalpegel zu erzeugen, die eine Line-Stufe verarbeiten kann.
Aber warum ist dann das Signal Ihres Tonabnehmers bei 20 Hz zehnmal leiser als bei 1 kHz? Und das ist noch nicht alles: Bei 20 kHz ist der Eingangssignalpegel zehnmal lauter als bei 1 kHz! Die kurze Antwort lautet: Dies wurde getan, um das Schneiden von Schallplatten zu erleichtern. Auch um ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten, wenn man die Musiksignale von der relativ verrauschten Oberflächenstruktur in der Spiralrille einer LP zurückzieht. 1955 einigten sich die Plattenfirmen auf einen entsprechenden Standard, der von einer Institution namens RIAA vorgeschlagen wurde. Wenn Sie also möchten, dass Ihre Musik mit einem normalen, d.h. flachen Frequenzgang aus dem Phonovorverstärker kommt, müssen Sie ein Korrekturnetzwerk namens RIAA-Entzerrung hinzufügen.
Das bringt uns zum nächsten Problem. Heutzutage ist es nicht allzu schwierig, ein korrektes RIAA-Netzwerk zu berechnen, das auf ±0,1 dB genau ist. In vielen Lehrbüchern finden Sie die richtigen Formeln und mehrere Internetseiten bieten eine tabellenartige Berechnung an. Allerdings habe ich in den letzten Jahren einige Beispiele für Verstärker mit gravierenden RIAA-Fehlern gesehen, die in einigen Bereichen des Frequenzbandes um mehrere dB abweichen. Ich habe sogar chinesische Modelle mit Abweichungen von bis zu 10 dB an den Frequenzextremen gesehen, was völlig unnötig, völlig inakzeptabel und völlig lächerlich ist.
Aber selbst wenn Sie die Frequenzkorrektur richtig hinbekommen, kommt es sehr darauf an , wie Sie die RIAA-Korrektur in Ihrer Schaltung realisieren. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun, und alle führen zu unterschiedlichen Überlastungsspannen und Ausgangsrauschleistungen. Und Klang. Lassen Sie mich ein paar Optionen skizzieren.
Bis jetzt habe ich noch nicht einmal die Hälfte der Probleme behandelt, die bei der Entwicklung eines Phono-Verstärkers auftreten. Ich werde nicht auf alle Details eingehen, aber lassen Sie mich noch ein paar weitere Themen zusammenfassen, bei denen Entscheidungen getroffen werden müssen und potenzielle Probleme bestehen: aktive Komponenten (Transistoren, Fets, Operationsverstärker, Röhren), passive Komponenten (Kondensatoren, Widerstände, Schalter), Stromversorgungen (lokal und ferngesteuert), Verzerrungen, Leiterplattenlayout, Überlastungsspannen von bis zu 26 dB, … Wie auch immer, Sie verstehen, was ich meine.
Wie kann man diese Probleme also angehen? Auf der einen Seite gibt es den rein technischen, wissenschaftlichen Ansatz. Streben Sie nach minimalem Rauschen, minimaler Verzerrung und maximalen Überlastungsspannen. Das ist der Weg, den viele HiFi-Anbieter gehen. Ihre Spezifikationen sehen sehr beruhigend, ja sogar beeindruckend aus. Aber oft ist dies das Ergebnis von roher Gewalt, nicht von Eleganz. Und meiner Erfahrung nach ist dies keine Garantie für guten Klang, auch wenn einige es richtig machen und am Ende ein erfrischend klingendes Ergebnis haben, das gebe ich offen zu.
Ein anderer Ansatz ist der, den man oft bei Herstellern von Röhrengeräten sieht. Der Entwickler muss etwas mehr Rauschen und sicherlich auch mehr Verzerrungen in Kauf nehmen, aber er ist mit reichlich Überlastungsspielraum gesegnet, so dass es nie zu reißenden Verzerrungen aufgrund von Clipping kommt. Genaue RIAA-Kurven können allerdings ein Problem darstellen, insbesondere bei Unterschieden zwischen den einzelnen Röhren. Das Bild der Spezifikationen sieht vielleicht nicht ganz so überzeugend aus, aber es ist allgemein bekannt, dass man als Designer ein totaler Idiot sein muss, um Röhren schlecht klingen zu lassen. Das ist also auch ein großes Plus. Und einige Röhren-Phonoverstärker klingen absolut umwerfend, allerdings meist zu einem gewissen Preis.
Was habe ich also bei der Entwicklung des Phono-Vorverstärkers von Grimm Audio getan? Aufgrund der scheinbar endlosen Anzahl von Entscheidungen, die getroffen werden müssen, wenn man bei Null anfängt, müssen Sie ein paar Vermutungen folgen (und hoffen, dass Sie tatsächlich dort landen, wo Sie hinwollen). Sie können einfach nicht alle Möglichkeiten ausprobieren, oder? Also habe ich mich zunächst einmal gegen bipolare Transistoren im ersten Teil der Signalkette entschieden: meiner Erfahrung nach zu grob für Signale mit sehr niedrigem Pegel. Anschließend habe ich mich für zwei parallele Wege entschieden: Opamps und Fets. Und in jedem Fall habe ich versucht, eine Überbeanspruchung der aktiven Komponenten zu vermeiden. Und ich habe den Stromversorgungen viel Aufmerksamkeit geschenkt. Nach mehr als hundert Stunden Studium, Messungen, Prototyping und Hörtests haben wir beschlossen, die Opamp-Route fallen zu lassen. Trotz aller Bemühungen konnte sie sich nicht gegen den 3-Fets-pro-Kanal-Ansatz durchsetzen, der sich langsam in einem Paralleluniversum herauskristallisiert hatte. Letzterer war einfach verführerischer, natürlicher und musikalisch mitreißender. Hier ein Bild des ersten PW1-Prototyps, fertiggestellt 2017-2018.
Im Laufe der Jahre bin ich immer mehr zu einem Anhänger des KISS-Prinzips geworden: Weniger ist mehr. Wenn Sie das tun, müssen Sie mit dem Strom schwimmen. Ich meine, Sie müssen den Gegenstand, den Sie verwenden, sei es ein Fet, ein Transistor oder ein Operationsverstärker, so akzeptieren, wie er ist. Denn sobald Sie versuchen, seine Eigenheiten zu korrigieren, üben Sie Druck aus und verkomplizieren die Dinge, was Sie möglicherweise und wahrscheinlich von Ihrem Ziel abbringen wird. Der gewählte Ansatz ist also fast so, als würden Sie sich mit einem Fötus identifizieren und mit ihm nach oben auf das Netzteil schauen und nach unten schauen, wie und wo es an der Grundschiene befestigt ist. In ähnlicher Weise können Sie, wenn Sie in das RIAA-Netzwerk hineinkriechen, sich umsehen und ein Gefühl dafür bekommen, ob es sich gut in die umgebende Schaltung einfügt. Was, wie ich hinzufügen möchte, nicht bedeutet, dass Sie alles über Bord werfen sollten, was Ihnen die Wissenschaft, die elektronische Theorie und die Datenblätter beigebracht haben. Im Gegenteil, Sie brauchen alle technischen Erkenntnisse und Daten, die Sie bekommen können, um zu wissen, wo Sie sind und was Sie tun!
Als Beispiel dafür fand ich es notwendig, eine Ausnahme von der KISS-Regel zu machen: Ich habe einen Bipolaren eingeschleust! Und warum? Um zwei unerwünschte Eigenschaften von Fets zu eliminieren, die sich nachteilig auf die Klangqualität auswirken würden (ja, Fets sind nett, aber leider alles andere als ideal). Aber nicht mit Gewalt, der Bipolar wird hier in einer fast passiven Funktion verwendet (genannt Kaskode, keine Signalverstärkung) und beeinträchtigt daher nicht die Signalqualität.
Ja, man könnte sagen, dass meine Herangehensweise bis zu einem gewissen Grad dem Zen ähnelt. Ich erinnere mich, dass mir jemand ein Buch mit dem Titel “Zen and the Art of Motorcycle Maintenance” von Robert Pirsig geschenkt hat, das muss 1981 oder so gewesen sein. Ich las es und verstand zunächst nicht ein Jota von dem, worum es ging. Und das, obwohl ich schon seit 1970 Motorrad fahre (schon immer italienisch!). Aber meine engstirnige westliche wissenschaftliche Ausbildung war immer noch der dominierende Faktor in meinem Denken, sowohl was die Technik als auch das Leben im Allgemeinen betraf. Es brauchte noch ein paar Jahre Lebenserfahrung, den Umgang mit Frustration, Schmerz, Trauer und Tod. Und dann, Ende der achtziger Jahre, nahm ich das Buch wieder in die Hand und es war glasklar! Sie mussten versuchen, Ihr Motorrad als Lebewesen zu sehen und es mit Liebe zu behandeln. Und auch das Motorradfahren wurde anders: Ich saß nicht mehr nur darauf und kontrollierte es, ich wurde bei jeder Fahrt eins mit meinem Motorrad.
Ja, einige elektronische Komponenten, die Sie in der HiFi-Branche verwenden, tun vielleicht nicht genau das, was Sie wollen. Aber wenn Sie das akzeptieren und in der Linie ihrer Stärken arbeiten und ihre Schwächen sanft angehen, können Sie am Ende ein schönes Ergebnis erzielen. Wie ein chinesischer Zahnarzt einmal sagte: “Kämpfen Sie nicht gegen den Schmerz, der Schmerz wird zurückschlagen. Gehen Sie mit dem Schmerz, der Schmerz wird sich verwirren”(zit. Doeschka Meijsing, De Tweede Man, 2000).
Warum also dieser Ansatz? Weil ich einen Sound möchte, der so natürlich und lebendig wie möglich ist. Und hier ist KISS wegweisend, zumindest für mich. Meiner Erfahrung nach ist das Risiko, dass Sie die Elektronik hören, umso größer, je komplexer Sie Ihre Schaltung gestalten, selbst wenn dies geschieht, um die harmonische Verzerrung der Schaltung oder was auch immer zu eliminieren. Während andere Verstärkerschaltungen Ihnen ein Werkzeug an die Hand geben, mit dem Sie eine Aufnahme bis ins kleinste technische Detail sezieren können (was zugegebenermaßen in Studios nützlich ist), geht es mir bei meinen Entwürfen in erster Linie um die Vermittlung von Emotionen, um die Wärme einer menschlichen Stimme. Ich achte zwar auf die harmonische Verzerrung, aber eher auf ihren Charakter (ich vermeide ungleichmäßige Obertöne) als dass ich einen sehr niedrigen Prozentsatz anstreben würde. Und ich achte auf den verführerischen Klang einer Geige, die Luft um Stimmen und Instrumente (die ihre 3D-Realität wiederherstellt), die Breite und Tiefe des Stereobildes. Wenn ich all das bekomme, fühle ich mich überwältigt und glücklich.
Peter van Willenswaard
