19
Compression and Clipping - Revisited James L. Tonne WB6BLD Copyright © 2001-2008 James L. Tonne Last updated 6 November 2008 This article will outline the development of a very nice speech-processing system for amateur use. It is based on a combination of techniques developed over the past few decades. Processing techniques have changed during this period of time because of advancements in two areas: technology and psychoacoustics. Technology advances include the use of semiconductors instead of tubes/valves. And the use of electret microphones has become quite popular, instead of dynamic or crystal types. For automatic gain control, semiconductors devices are now used instead of variable-transconductance tubes. Monitoring the activity of such a system has been done in the past using analog meters; currently the use of LED bargraphs is common. Studies in that field strangely named "psychoacoustics" have shown that loudness is best controlled by the use of automatic gain control techniques based on average signal levels rather than peak. A system with a very fast reaction time was at one time thought to be best. In fact system designers went to great lengths to make it fast; 100 microseconds was not uncommon. Such a system may look very nice on an oscilloscope but it does not match the ear when loudness is of concern. And recovery (gain- increase) time was thought to be best if it was set to a few seconds. Current thinking is that recovery times of the order of 100 to 200 milliseconds are best. Even shorter recovery times are better from a loudness viewpoint but tend to increase harmonic and especially intermodulation distortions. These distortions can be minimized, as will be seen. This writeup will focus on a set of circuits intended for communications use, amateur radio in particular, and may not be at all suitable for broadcast or other purposes. We will end up with a signal that is quite potent but is very listenable and quite nicely controlled both in amplitude and spectral distribution. The proposed circuitry can have the "efficiency" (loudness) of a clipper but with seriously reduced distortion. Readers with library facilities may note, perhaps with a touch of humor and/or nostalgia, the original article on this subject by ye scribe [see footnote]. I had no idea at the time how, in the future, the performance of such a device could be so dramatically improved by making just a few changes in the basic concepts. [And also by using devices that hadn't been invented at the time :-) ]

Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Compression����������� ������������������  and����������� ������������������  Clipping����������� ������������������  -����������� ������������������  Revisited

James����������� ������������������  L.����������� ������������������  Tonne����������� ������������������  WB6BLD

Copyright����������� ������������������  ©����������� ������������������  2001-2008����������� ������������������  James����������� ������������������  L.����������� ������������������  TonneLast����������� ������������������  updated����������� ������������������  6����������� ������������������  November����������� ������������������  2008

This����������� ������������������  article����������� ������������������  will����������� ������������������  outline����������� ������������������  the����������� ������������������  development����������� ������������������  of����������� ������������������  a����������� ������������������  very����������� ������������������  nice����������� ������������������  speech-processing����������� ������������������  system����������� ������������������  foramateur����������� ������������������  use.����������� ������������������  It����������� ������������������  is����������� ������������������  based����������� ������������������  on����������� ������������������  a����������� ������������������  combination����������� ������������������  of����������� ������������������  techniques����������� ������������������  developed����������� ������������������  over����������� ������������������  the����������� ������������������  past����������� ������������������  fewdecades.����������� ������������������  Processing����������� ������������������  techniques����������� ������������������  have����������� ������������������  changed����������� ������������������  during����������� ������������������  this����������� ������������������  period����������� ������������������  of����������� ������������������  time����������� ������������������  because����������� ������������������  ofadvancements����������� ������������������  in����������� ������������������  two����������� ������������������  areas:����������� ������������������  technology����������� ������������������  and����������� ������������������  psychoacoustics.����������� ������������������  

Technology����������� ������������������  advances����������� ������������������  include����������� ������������������  the����������� ������������������  use����������� ������������������  of����������� ������������������  semiconductors����������� ������������������  instead����������� ������������������  of����������� ������������������  tubes/valves.����������� ������������������  Andthe����������� ������������������  use����������� ������������������  of����������� ������������������  electret����������� ������������������  microphones����������� ������������������  has����������� ������������������  become����������� ������������������  quite����������� ������������������  popular,����������� ������������������  instead����������� ������������������  of����������� ������������������  dynamic����������� ������������������  orcrystal����������� ������������������  types.����������� ������������������  For����������� ������������������  automatic����������� ������������������  gain����������� ������������������  control,����������� ������������������  semiconductors����������� ������������������  devices����������� ������������������  are����������� ������������������  now����������� ������������������  used����������� ������������������  insteadof����������� ������������������  variable-transconductance����������� ������������������  tubes.����������� ������������������  Monitoring����������� ������������������  the����������� ������������������  activity����������� ������������������  of����������� ������������������  such����������� ������������������  a����������� ������������������  system����������� ������������������  has����������� ������������������  beendone����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  past����������� ������������������  using����������� ������������������  analog����������� ������������������  meters;����������� ������������������  currently����������� ������������������  the����������� ������������������  use����������� ������������������  of����������� ������������������  LED����������� ������������������  bargraphs����������� ������������������  is����������� ������������������  common.����������� ������������������  

Studies����������� ������������������  in����������� ������������������  that����������� ������������������  field����������� ������������������  strangely����������� ������������������  named����������� ������������������  "psychoacoustics"����������� ������������������  have����������� ������������������  shown����������� ������������������  that����������� ������������������  loudness����������� ������������������  isbest����������� ������������������  controlled����������� ������������������  by����������� ������������������  the����������� ������������������  use����������� ������������������  of����������� ������������������  automatic����������� ������������������  gain����������� ������������������  control����������� ������������������  techniques����������� ������������������  based����������� ������������������  on����������� ������������������  averagesignal����������� ������������������  levels����������� ������������������  rather����������� ������������������  than����������� ������������������  peak.����������� ������������������  A����������� ������������������  system����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  very����������� ������������������  fast����������� ������������������  reaction����������� ������������������  time����������� ������������������  was����������� ������������������  at����������� ������������������  one����������� ������������������  timethought����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  best.����������� ������������������  In����������� ������������������  fact����������� ������������������  system����������� ������������������  designers����������� ������������������  went����������� ������������������  to����������� ������������������  great����������� ������������������  lengths����������� ������������������  to����������� ������������������  make����������� ������������������  it����������� ������������������  fast;����������� ������������������  100microseconds����������� ������������������  was����������� ������������������  not����������� ������������������  uncommon.����������� ������������������  Such����������� ������������������  a����������� ������������������  system����������� ������������������  may����������� ������������������  look����������� ������������������  very����������� ������������������  nice����������� ������������������  on����������� ������������������  an����������� ������������������  oscilloscopebut����������� ������������������  it����������� ������������������  does����������� ������������������  not����������� ������������������  match����������� ������������������  the����������� ������������������  ear����������� ������������������  when����������� ������������������  loudness����������� ������������������  is����������� ������������������  of����������� ������������������  concern.����������� ������������������  And����������� ������������������  recovery����������� ������������������  (gain-increase)����������� ������������������  time����������� ������������������  was����������� ������������������  thought����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  best����������� ������������������  if����������� ������������������  it����������� ������������������  was����������� ������������������  set����������� ������������������  to����������� ������������������  a����������� ������������������  few����������� ������������������  seconds.����������� ������������������  Current����������� ������������������  thinking����������� ������������������  isthat����������� ������������������  recovery����������� ������������������  times����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  order����������� ������������������  of����������� ������������������  100����������� ������������������  to����������� ������������������  200����������� ������������������  milliseconds����������� ������������������  are����������� ������������������  best.����������� ������������������  Even����������� ������������������  shorterrecovery����������� ������������������  times����������� ������������������  are����������� ������������������  better����������� ������������������  from����������� ������������������  a����������� ������������������  loudness����������� ������������������  viewpoint����������� ������������������  but����������� ������������������  tend����������� ������������������  to����������� ������������������  increase����������� ������������������  harmonic����������� ������������������  andespecially����������� ������������������  intermodulation����������� ������������������  distortions.����������� ������������������  These����������� ������������������  distortions����������� ������������������  can����������� ������������������  be����������� ������������������  minimized,����������� ������������������  as����������� ������������������  will����������� ������������������  beseen.����������� ������������������  

This����������� ������������������  writeup����������� ������������������  will����������� ������������������  focus����������� ������������������  on����������� ������������������  a����������� ������������������  set����������� ������������������  of����������� ������������������  circuits����������� ������������������  intended����������� ������������������  for����������� ������������������  communications����������� ������������������  use,����������� ������������������  amateurradio����������� ������������������  in����������� ������������������  particular,����������� ������������������  and����������� ������������������  may����������� ������������������  not����������� ������������������  be����������� ������������������  at����������� ������������������  all����������� ������������������  suitable����������� ������������������  for����������� ������������������  broadcast����������� ������������������  or����������� ������������������  other����������� ������������������  purposes.����������� ������������������  Wewill����������� ������������������  end����������� ������������������  up����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  signal����������� ������������������  that����������� ������������������  is����������� ������������������  quite����������� ������������������  potent����������� ������������������  but����������� ������������������  is����������� ������������������  very����������� ������������������  listenable����������� ������������������  and����������� ������������������  quite����������� ������������������  nicelycontrolled����������� ������������������  both����������� ������������������  in����������� ������������������  amplitude����������� ������������������  and����������� ������������������  spectral����������� ������������������  distribution.����������� ������������������  The����������� ������������������  proposed����������� ������������������  circuitry����������� ������������������  can����������� ������������������  havethe����������� ������������������  "efficiency"����������� ������������������  (loudness)����������� ������������������  of����������� ������������������  a����������� ������������������  clipper����������� ������������������  but����������� ������������������  with����������� ������������������  seriously����������� ������������������  reduced����������� ������������������  distortion.����������� ������������������  

Readers����������� ������������������  with����������� ������������������  library����������� ������������������  facilities����������� ������������������  may����������� ������������������  note,����������� ������������������  perhaps����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  touch����������� ������������������  of����������� ������������������  humor����������� ������������������  and/ornostalgia,����������� ������������������  the����������� ������������������  original����������� ������������������  article����������� ������������������  on����������� ������������������  this����������� ������������������  subject����������� ������������������  by����������� ������������������  ye����������� ������������������  scribe����������� ������������������  [see����������� ������������������  footnote].����������� ������������������  I����������� ������������������  had����������� ������������������  no����������� ������������������  idea����������� ������������������  atthe����������� ������������������  time����������� ������������������  how,����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  future,����������� ������������������  the����������� ������������������  performance����������� ������������������  of����������� ������������������  such����������� ������������������  a����������� ������������������  device����������� ������������������  could����������� ������������������  be����������� ������������������  so����������� ������������������  dramaticallyimproved����������� ������������������  by����������� ������������������  making����������� ������������������  just����������� ������������������  a����������� ������������������  few����������� ������������������  changes����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  basic����������� ������������������  concepts.����������� ������������������  [And����������� ������������������  also����������� ������������������  by����������� ������������������  usingdevices����������� ������������������  that����������� ������������������  hadn't����������� ������������������  been����������� ������������������  invented����������� ������������������  at����������� ������������������  the����������� ������������������  time����������� ������������������  :-)����������� ������������������  ]����������� ������������������  

Page 2: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

The����������� ������������������  preamp����������� ������������������  

We'll����������� ������������������  begin����������� ������������������  the����������� ������������������  examination����������� ������������������  of����������� ������������������  this����������� ������������������  unit����������� ������������������  at����������� ������������������  the����������� ������������������  input����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  chain.����������� ������������������  The����������� ������������������  assumption����������� ������������������  ismade����������� ������������������  here����������� ������������������  that����������� ������������������  an����������� ������������������  electret����������� ������������������  microphone����������� ������������������  element����������� ������������������  is����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  used.����������� ������������������  This����������� ������������������  kind����������� ������������������  of����������� ������������������  microphonecan����������� ������������������  be����������� ������������������  thought����������� ������������������  of����������� ������������������  as����������� ������������������  a����������� ������������������  small����������� ������������������  depletion-mode����������� ������������������  FET,����������� ������������������  with����������� ������������������  an����������� ������������������  electrostatically-chargedsound-receiving����������� ������������������  diaphragm����������� ������������������  next����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  surface.����������� ������������������  When����������� ������������������  sound����������� ������������������  moves����������� ������������������  the����������� ������������������  diaphragm,the����������� ������������������  FET����������� ������������������  changes����������� ������������������  its����������� ������������������  conductivity.����������� ������������������  The����������� ������������������  FET����������� ������������������  itself����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  high����������� ������������������  output����������� ������������������  impedance;����������� ������������������  it����������� ������������������  is����������� ������������������  ineffect����������� ������������������  a����������� ������������������  current����������� ������������������  source.����������� ������������������  To����������� ������������������  operate����������� ������������������  it����������� ������������������  requires����������� ������������������  both����������� ������������������  a����������� ������������������  pullup����������� ������������������  resistor����������� ������������������  and����������� ������������������  a����������� ������������������  biasingvoltage.����������� ������������������  The����������� ������������������  resistor����������� ������������������  should����������� ������������������  be����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  vicinity����������� ������������������  of����������� ������������������  10K����������� ������������������  ohms,����������� ������������������  connected����������� ������������������  to����������� ������������������  a����������� ������������������  bias����������� ������������������  of����������� ������������������  about6����������� ������������������  volts.����������� ������������������  Lower����������� ������������������  values����������� ������������������  of����������� ������������������  load����������� ������������������  resistor����������� ������������������  will����������� ������������������  lower����������� ������������������  the����������� ������������������  output����������� ������������������  level����������� ������������������  from����������� ������������������  the����������� ������������������  element����������� ������������������  whileoffering����������� ������������������  an����������� ������������������  improved����������� ������������������  degree����������� ������������������  of����������� ������������������  immunity����������� ������������������  to����������� ������������������  treble����������� ������������������  rolloff����������� ������������������  caused����������� ������������������  by����������� ������������������  the����������� ������������������  connectingcable����������� ������������������  capacitance.����������� ������������������  The����������� ������������������  biasing����������� ������������������  voltage����������� ������������������  should����������� ������������������  not����������� ������������������  exceed����������� ������������������  about����������� ������������������  10����������� ������������������  volts����������� ������������������  or����������� ������������������  the����������� ������������������  FET����������� ������������������  maybecome����������� ������������������  noisy����������� ������������������  by����������� ������������������  virtue����������� ������������������  of����������� ������������������  a����������� ������������������  zener-like����������� ������������������  breakdown����������� ������������������  process.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  1����������� ������������������  shows����������� ������������������  the����������� ������������������  microphone����������� ������������������  preamplifier����������� ������������������  schematic.����������� ������������������  If����������� ������������������  a����������� ������������������  dynamic����������� ������������������  microphoneelement����������� ������������������  is����������� ������������������  used,����������� ������������������  then����������� ������������������  the����������� ������������������  input����������� ������������������  10K����������� ������������������  pullup����������� ������������������  resistor����������� ������������������  is����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  removed.����������� ������������������  Such����������� ������������������  amicrophone����������� ������������������  should����������� ������������������  be����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  high����������� ������������������  impedance����������� ������������������  type.����������� ������������������  The����������� ������������������  output����������� ������������������  level����������� ������������������  from����������� ������������������  this����������� ������������������  circuitshould����������� ������������������  be����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  vicinity����������� ������������������  of����������� ������������������  a����������� ������������������  volt����������� ������������������  peak����������� ������������������  with����������� ������������������  normal����������� ������������������  speech����������� ������������������  levels����������� ������������������  in����������� ������������������  amateur����������� ������������������  service.����������� ������������������  

Both����������� ������������������  the����������� ������������������  schematics����������� ������������������  and����������� ������������������  the����������� ������������������  various����������� ������������������  plots����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  this����������� ������������������  writeup����������� ������������������  are����������� ������������������  the����������� ������������������  result����������� ������������������  of����������� ������������������  usingLTspice,����������� ������������������  from����������� ������������������  Linear����������� ������������������  Technology����������� ������������������  Corporation.����������� ������������������  I����������� ������������������  have����������� ������������������  no����������� ������������������  connection����������� ������������������  with����������� ������������������  that����������� ������������������  company;I����������� ������������������  simply����������� ������������������  use����������� ������������������  LTspice����������� ������������������  for����������� ������������������  circuit����������� ������������������  analysis����������� ������������������  because����������� ������������������  it����������� ������������������  yields����������� ������������������  correct����������� ������������������  results,����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  wonderfulsupport����������� ������������������  group����������� ������������������  and����������� ������������������  is����������� ������������������  priced����������� ������������������  right����������� ������������������  (zero).����������� ������������������  

Page 3: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  1����������� ������������������  -����������� ������������������  Microphone����������� ������������������  preamplifier����������� ������������������  circuitry����������� ������������������  

The����������� ������������������  frequency����������� ������������������  response����������� ������������������  as����������� ������������������  seen����������� ������������������  at����������� ������������������  the����������� ������������������  output����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  first����������� ������������������  opamp,����������� ������������������  U1,����������� ������������������  is����������� ������������������  as����������� ������������������  shown����������� ������������������  inFigure����������� ������������������  2.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  2����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  bass����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  are����������� ������������������  rolled����������� ������������������  off����������� ������������������  by����������� ������������������  the����������� ������������������  action����������� ������������������  of����������� ������������������  C1����������� ������������������  and����������� ������������������  R2����������� ������������������  along����������� ������������������  with����������� ������������������  R5and����������� ������������������  C5.����������� ������������������  The����������� ������������������  treble����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  are����������� ������������������  rolled����������� ������������������  off����������� ������������������  by����������� ������������������  the����������� ������������������  action����������� ������������������  of����������� ������������������  R3����������� ������������������  and����������� ������������������  C2����������� ������������������  along����������� ������������������  with����������� ������������������  R4and����������� ������������������  C3.����������� ������������������  R3����������� ������������������  and����������� ������������������  C2����������� ������������������  perform����������� ������������������  the����������� ������������������  additional����������� ������������������  function����������� ������������������  of����������� ������������������  discouraging����������� ������������������  RF����������� ������������������  from����������� ������������������  entering

Page 4: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

the����������� ������������������  input����������� ������������������  circuitry.����������� ������������������  

The����������� ������������������  output����������� ������������������  of����������� ������������������  that����������� ������������������  first����������� ������������������  stage����������� ������������������  is����������� ������������������  then����������� ������������������  applied����������� ������������������  to����������� ������������������  a����������� ������������������  highpass����������� ������������������  filter.����������� ������������������  The����������� ������������������  resulting����������� ������������������  responseis����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  3.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  3����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  input����������� ������������������  amplifier����������� ������������������  response����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  here����������� ������������������  along����������� ������������������  with����������� ������������������  the����������� ������������������  output����������� ������������������  of����������� ������������������  thehighpass����������� ������������������  filter.����������� ������������������  The����������� ������������������  highpass����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  slight����������� ������������������  peak����������� ������������������  in����������� ������������������  its����������� ������������������  response����������� ������������������  right����������� ������������������  at����������� ������������������  200����������� ������������������  Hz����������� ������������������  to����������� ������������������  correctthe����������� ������������������  low-end����������� ������������������  rolloff����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  input����������� ������������������  amplifier.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  4����������� ������������������  -����������� ������������������  Here����������� ������������������  we����������� ������������������  see����������� ������������������  the����������� ������������������  output����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  first����������� ������������������  stage,����������� ������������������  the����������� ������������������  highpass����������� ������������������  and����������� ������������������  finally����������� ������������������  thelowpass����������� ������������������  filter.����������� ������������������  The����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  peak����������� ������������������  in����������� ������������������  its����������� ������������������  response����������� ������������������  at����������� ������������������  about����������� ������������������  4����������� ������������������  kHz.����������� ������������������  

By����������� ������������������  using����������� ������������������  this����������� ������������������  bandpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  action,����������� ������������������  those����������� ������������������  signal����������� ������������������  components����������� ������������������  that����������� ������������������  are����������� ������������������  of����������� ������������������  little����������� ������������������  benefit,but����������� ������������������  which����������� ������������������  may����������� ������������������  cause����������� ������������������  "mischief"����������� ������������������  in����������� ������������������  later����������� ������������������  circuits,����������� ������������������  are����������� ������������������  rejected.����������� ������������������  

The����������� ������������������  AGC����������� ������������������  block����������� ������������������  

After����������� ������������������  the����������� ������������������  speech����������� ������������������  signal����������� ������������������  has����������� ������������������  been����������� ������������������  spectrally����������� ������������������  shaped����������� ������������������  it����������� ������������������  is����������� ������������������  applied����������� ������������������  to����������� ������������������  an����������� ������������������  AGC����������� ������������������  system.����������� ������������������  Keyto����������� ������������������  this����������� ������������������  block����������� ������������������  of����������� ������������������  circuitry����������� ������������������  will����������� ������������������  be����������� ������������������  some����������� ������������������  form����������� ������������������  of����������� ������������������  gain-controller.����������� ������������������  Here����������� ������������������  we����������� ������������������  have����������� ������������������  a����������� ������������������  widevariety����������� ������������������  of����������� ������������������  mechanisms����������� ������������������  that����������� ������������������  could����������� ������������������  be����������� ������������������  made����������� ������������������  to����������� ������������������  work.����������� ������������������  But����������� ������������������  first����������� ������������������  a����������� ������������������  flashback����������� ������������������  in����������� ������������������  time.����������� ������������������  

That����������� ������������������  speechamp����������� ������������������  writeup����������� ������������������  in����������� ������������������  1956����������� ������������������  used����������� ������������������  for����������� ������������������  the����������� ������������������  gain-controller����������� ������������������  a����������� ������������������  pair����������� ������������������  of����������� ������������������  variable-transconductance����������� ������������������  pentode����������� ������������������  tubes����������� ������������������  (valves)����������� ������������������  -����������� ������������������  6BA6s����������� ������������������  -����������� ������������������  in����������� ������������������  a����������� ������������������  balanced-����������� ������������������  modulatorconfiguration.����������� ������������������  After����������� ������������������  about����������� ������������������  30����������� ������������������  years����������� ������������������  those����������� ������������������  became����������� ������������������  hard����������� ������������������  to����������� ������������������  find.����������� ������������������  I����������� ������������������  wanted����������� ������������������  to����������� ������������������  try����������� ������������������  to����������� ������������������  avoidsuch����������� ������������������  a����������� ������������������  procurement����������� ������������������  problem����������� ������������������  this����������� ������������������  time����������� ������������������  around.����������� ������������������  For����������� ������������������  this����������� ������������������  project����������� ������������������  I����������� ������������������  wanted����������� ������������������  to����������� ������������������  use����������� ������������������  avariable-gain����������� ������������������  scheme����������� ������������������  the����������� ������������������  components����������� ������������������  for����������� ������������������  which����������� ������������������  would����������� ������������������  probably����������� ������������������  be����������� ������������������  available����������� ������������������  for����������� ������������������  a����������� ������������������  longtime.����������� ������������������  Hence����������� ������������������  my����������� ������������������  long����������� ������������������  search����������� ������������������  for����������� ������������������  a����������� ������������������  variable-gain����������� ������������������  element����������� ������������������  resulted����������� ������������������  in����������� ������������������  choosing����������� ������������������  a����������� ������������������  system

Page 5: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

that����������� ������������������  used����������� ������������������  silicon����������� ������������������  diodes����������� ������������������  operating����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  "knee"����������� ������������������  of����������� ������������������  their����������� ������������������  transfer����������� ������������������  curve,����������� ������������������  along����������� ������������������  withopamps.����������� ������������������  The����������� ������������������  basic����������� ������������������  idea����������� ������������������  is����������� ������������������  as����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  5.����������� ������������������  Please����������� ������������������  note����������� ������������������  -����������� ������������������  and����������� ������������������  this����������� ������������������  is����������� ������������������  very����������� ������������������  important����������� ������������������  -that����������� ������������������  the����������� ������������������  signal����������� ������������������  levels����������� ������������������  are����������� ������������������  down����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  vicinity����������� ������������������  of����������� ������������������  millivolts.����������� ������������������  This����������� ������������������  system����������� ������������������  is����������� ������������������  called����������� ������������������  a"variolosser."����������� ������������������  The����������� ������������������  audio����������� ������������������  input����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  variolosser����������� ������������������  is����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  range����������� ������������������  of����������� ������������������  10����������� ������������������  to����������� ������������������  300����������� ������������������  millivoltspeak.����������� ������������������  The����������� ������������������  output����������� ������������������  (at����������� ������������������  the����������� ������������������  right-hand����������� ������������������  side����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  series����������� ������������������  ballast����������� ������������������  resistor)����������� ������������������  is����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  range����������� ������������������  of5����������� ������������������  to����������� ������������������  10����������� ������������������  millivolts����������� ������������������  peak.����������� ������������������  The����������� ������������������  control����������� ������������������  voltage����������� ������������������  (the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  bus)����������� ������������������  is����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  vicinity����������� ������������������  of����������� ������������������  300����������� ������������������  to600����������� ������������������  millivolts����������� ������������������  DC.����������� ������������������  Its����������� ������������������  magnitude����������� ������������������  and����������� ������������������  polarity����������� ������������������  are����������� ������������������  such����������� ������������������  that����������� ������������������  the����������� ������������������  diodes����������� ������������������  are����������� ������������������  slightlyforward-biased����������� ������������������  into����������� ������������������  conduction.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  5����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  variolosser����������� ������������������  (gain-controller)����������� ������������������  in����������� ������������������  elementary����������� ������������������  form.����������� ������������������  In����������� ������������������  practice,����������� ������������������  resistor����������� ������������������  R3����������� ������������������  ismade����������� ������������������  trimmable����������� ������������������  over����������� ������������������  a����������� ������������������  several����������� ������������������  percent����������� ������������������  range����������� ������������������  to����������� ������������������  allow����������� ������������������  the����������� ������������������  circuit����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  balanced;adjusting����������� ������������������  that����������� ������������������  resistor����������� ������������������  will����������� ������������������  allow����������� ������������������  nulling����������� ������������������  out����������� ������������������  the����������� ������������������  gain����������� ������������������  control����������� ������������������  voltage����������� ������������������  so����������� ������������������  it����������� ������������������  does����������� ������������������  notproduce����������� ������������������  a����������� ������������������  "thump"����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  outp����������� ������������������  when����������� ������������������  gain����������� ������������������  reduction����������� ������������������  is����������� ������������������  in����������� ������������������  effect.����������� ������������������  This����������� ������������������  then����������� ������������������  is����������� ������������������  a����������� ������������������  balancedmodulator.����������� ������������������  

Adding����������� ������������������  circuitry����������� ������������������  as����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  6����������� ������������������  results����������� ������������������  in����������� ������������������  a����������� ������������������  workable����������� ������������������  AGC����������� ������������������  system.����������� ������������������  

Page 6: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  6����������� ������������������  -����������� ������������������  A����������� ������������������  simple����������� ������������������  AGC����������� ������������������  system����������� ������������������  

To����������� ������������������  the����������� ������������������  variolosser����������� ������������������  we����������� ������������������  have����������� ������������������  added����������� ������������������  a����������� ������������������  gain����������� ������������������  block����������� ������������������  (U3,����������� ������������������  R4����������� ������������������  and����������� ������������������  R5).����������� ������������������  Following����������� ������������������  that����������� ������������������  amplifieris����������� ������������������  a����������� ������������������  full-wave����������� ������������������  rectifier����������� ������������������  system.����������� ������������������  Diode����������� ������������������  D4����������� ������������������  feeds����������� ������������������  R8����������� ������������������  directly����������� ������������������  while����������� ������������������  D3����������� ������������������  is����������� ������������������  fed����������� ������������������  from����������� ������������������  a����������� ������������������  unity-gain����������� ������������������  inverter.����������� ������������������  The����������� ������������������  signal����������� ������������������  at����������� ������������������  the����������� ������������������  top����������� ������������������  of����������� ������������������  R8����������� ������������������  then����������� ������������������  is����������� ������������������  absolute-value����������� ������������������  (full-wave����������� ������������������  rectified)audio.����������� ������������������  The����������� ������������������  ripple����������� ������������������  is����������� ������������������  largely����������� ������������������  removed����������� ������������������  by����������� ������������������  R9����������� ������������������  and����������� ������������������  C1.����������� ������������������  The����������� ������������������  voltage����������� ������������������  across����������� ������������������  C1����������� ������������������  is����������� ������������������  then����������� ������������������  theAGC����������� ������������������  control����������� ������������������  voltage.����������� ������������������  

With����������� ������������������  the����������� ������������������  parts����������� ������������������  values����������� ������������������  shown,����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  attack����������� ������������������  time����������� ������������������  is����������� ������������������  about����������� ������������������  5����������� ������������������  milliseconds����������� ������������������  and����������� ������������������  therecovery����������� ������������������  time����������� ������������������  is����������� ������������������  about����������� ������������������  200����������� ������������������  milliseconds.����������� ������������������  This����������� ������������������  is����������� ������������������  a����������� ������������������  nice-sounding����������� ������������������  system.����������� ������������������  But����������� ������������������  due����������� ������������������  to����������� ������������������  thefinite����������� ������������������  attack����������� ������������������  time����������� ������������������  this����������� ������������������  circuit����������� ������������������  must����������� ������������������  be����������� ������������������  followed����������� ������������������  by����������� ������������������  a����������� ������������������  clipper����������� ������������������  to����������� ������������������  catch����������� ������������������  the����������� ������������������  resultingtransients����������� ������������������  that����������� ������������������  escape.����������� ������������������  (To����������� ������������������  those����������� ������������������  with����������� ������������������  broadcast����������� ������������������  experience,����������� ������������������  these����������� ������������������  numbers����������� ������������������  andcomments����������� ������������������  are����������� ������������������  similar����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  device����������� ������������������  circa����������� ������������������  1965����������� ������������������  called����������� ������������������  the����������� ������������������  "Volumax.")����������� ������������������  

Another����������� ������������������  caution����������� ������������������  has����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  made����������� ������������������  at����������� ������������������  this����������� ������������������  point.����������� ������������������  It����������� ������������������  might����������� ������������������  seem����������� ������������������  that����������� ������������������  the����������� ������������������  faster����������� ������������������  the����������� ������������������  attacktime����������� ������������������  the����������� ������������������  better.����������� ������������������  Indeed,����������� ������������������  from����������� ������������������  the����������� ������������������  invention����������� ������������������  of����������� ������������������  automatic����������� ������������������  volume����������� ������������������  limiters����������� ������������������  (probablyabout����������� ������������������  1930)����������� ������������������  until����������� ������������������  the����������� ������������������  early����������� ������������������  1960s����������� ������������������  this����������� ������������������  was����������� ������������������  the����������� ������������������  usual����������� ������������������  philosophy����������� ������������������  of����������� ������������������  design����������� ������������������  engineers.����������� ������������������  Atthat����������� ������������������  point����������� ������������������  it����������� ������������������  became����������� ������������������  evident����������� ������������������  that����������� ������������������  a����������� ������������������  longer����������� ������������������  attack����������� ������������������  time����������� ������������������  -����������� ������������������  of����������� ������������������  perhaps����������� ������������������  3����������� ������������������  to����������� ������������������  6����������� ������������������  milliseconds����������� ������������������  -would����������� ������������������  produce����������� ������������������  a����������� ������������������  louder����������� ������������������  signal.����������� ������������������  And����������� ������������������  a����������� ������������������  louder����������� ������������������  signal����������� ������������������  was����������� ������������������  actually����������� ������������������  the����������� ������������������  goal����������� ������������������  for����������� ������������������  thosesystems����������� ������������������  that����������� ������������������  used����������� ������������������  these����������� ������������������  volume-limiting����������� ������������������  amplifiers.����������� ������������������  Unfortunately����������� ������������������  such����������� ������������������  a����������� ������������������  "long"����������� ������������������  attacktime����������� ������������������  also����������� ������������������  resulted����������� ������������������  in����������� ������������������  overshoots����������� ������������������  or����������� ������������������  bursts����������� ������������������  of����������� ������������������  audio����������� ������������������  which����������� ������������������  had����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  removed����������� ������������������  by����������� ������������������  afollowing����������� ������������������  clipper����������� ������������������  circuit.����������� ������������������  Merely����������� ������������������  mentioning����������� ������������������  the����������� ������������������  word����������� ������������������  "clipper"����������� ������������������  usually����������� ������������������  caused����������� ������������������  fidelityafficionados����������� ������������������  to����������� ������������������  squirm.����������� ������������������  Fortunately����������� ������������������  it����������� ������������������  turned����������� ������������������  out����������� ������������������  that����������� ������������������  such����������� ������������������  clipping����������� ������������������  (of����������� ������������������  transients����������� ������������������  only)actually����������� ������������������  didn't����������� ������������������  sound����������� ������������������  particularly����������� ������������������  bad.����������� ������������������  The����������� ������������������  distortion����������� ������������������  might����������� ������������������  be����������� ������������������  heard����������� ������������������  but����������� ������������������  it����������� ������������������  was����������� ������������������  notespecially����������� ������������������  objectionable.����������� ������������������  The����������� ������������������  amplitude-modulation����������� ������������������  receiver's����������� ������������������  demodulator����������� ������������������  usuallycaused����������� ������������������  distortion����������� ������������������  far����������� ������������������  in����������� ������������������  excess����������� ������������������  of����������� ������������������  that����������� ������������������  caused����������� ������������������  by����������� ������������������  a����������� ������������������  transient����������� ������������������  clipper.����������� ������������������  

Bottom����������� ������������������  line����������� ������������������  here����������� ������������������  is����������� ������������������  that����������� ������������������  we����������� ������������������  want����������� ������������������  an����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop����������� ������������������  which����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  finite����������� ������������������  attack����������� ������������������  time,����������� ������������������  probablyin����������� ������������������  the����������� ������������������  vicinity����������� ������������������  of����������� ������������������  3����������� ������������������  to����������� ������������������  6����������� ������������������  milliseconds,����������� ������������������  that����������� ������������������  loop����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  followed����������� ������������������  by����������� ������������������  a����������� ������������������  clipper,����������� ������������������  for����������� ������������������  a����������� ������������������  loud

Page 7: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

signal.����������� ������������������  The����������� ������������������  clipper����������� ������������������  is����������� ������������������  adjusted����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  on����������� ������������������  the����������� ������������������  verge����������� ������������������  of����������� ������������������  clipping����������� ������������������  when����������� ������������������  a����������� ������������������  1000����������� ������������������  Hz����������� ������������������  sinusoid����������� ������������������  ispassed����������� ������������������  through����������� ������������������  the����������� ������������������  system.����������� ������������������  When����������� ������������������  this����������� ������������������  is����������� ������������������  done,����������� ������������������  audio����������� ������������������  signals����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  high����������� ������������������  peak����������� ������������������  toaverage����������� ������������������  content����������� ������������������  (such����������� ������������������  as����������� ������������������  speech)����������� ������������������  will����������� ������������������  be����������� ������������������  lightly����������� ������������������  clipped.����������� ������������������  

And����������� ������������������  another����������� ������������������  item����������� ������������������  of����������� ������������������  concern����������� ������������������  at����������� ������������������  this����������� ������������������  point����������� ������������������  in����������� ������������������  our����������� ������������������  design����������� ������������������  process����������� ������������������  is����������� ������������������  the����������� ������������������  gain-recoverytime.����������� ������������������  If����������� ������������������  the����������� ������������������  recovery����������� ������������������  time����������� ������������������  is����������� ������������������  long����������� ������������������  (long����������� ������������������  here����������� ������������������  meaning����������� ������������������  a����������� ������������������  few����������� ������������������  seconds),����������� ������������������  then����������� ������������������  loudness����������� ������������������  isdefinitely����������� ������������������  penalized.����������� ������������������  If����������� ������������������  the����������� ������������������  recovery����������� ������������������  time����������� ������������������  is����������� ������������������  short����������� ������������������  (perhaps����������� ������������������  50����������� ������������������  milliseconds)����������� ������������������  then����������� ������������������  loudnessis����������� ������������������  maximized����������� ������������������  but����������� ������������������  distortion����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  lower����������� ������������������  audio����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  is����������� ������������������  increased.����������� ������������������  Worse����������� ������������������  yet,intermodulation����������� ������������������  distortion����������� ������������������  increases����������� ������������������  at����������� ������������������  an����������� ������������������  alarming����������� ������������������  rate.����������� ������������������  For����������� ������������������  maximum����������� ������������������  loudness����������� ������������������  wewould����������� ������������������  like����������� ������������������  to����������� ������������������  see����������� ������������������  a����������� ������������������  recovery����������� ������������������  time����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  vicinity����������� ������������������  of����������� ������������������  50����������� ������������������  milliseconds.����������� ������������������  Rest����������� ������������������  assured����������� ������������������  that����������� ������������������  ifwe����������� ������������������  simply����������� ������������������  shortened����������� ������������������  the����������� ������������������  recovery����������� ������������������  time����������� ������������������  without����������� ������������������  some����������� ������������������  additional����������� ������������������  cleverness,����������� ������������������  distortionwould����������� ������������������  be����������� ������������������  intolerable.����������� ������������������  This����������� ������������������  can����������� ������������������  be����������� ������������������  minimized����������� ������������������  by����������� ������������������  a����������� ������������������  certain����������� ������������������  amount����������� ������������������  of����������� ������������������  cleverness.����������� ������������������  

To����������� ������������������  minimize����������� ������������������  the����������� ������������������  generation����������� ������������������  of����������� ������������������  harmonic����������� ������������������  and����������� ������������������  intermodulation����������� ������������������  distortion����������� ������������������  in����������� ������������������  a����������� ������������������  fast-recovery����������� ������������������  (50����������� ������������������  milliseconds)����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop,����������� ������������������  we����������� ������������������  need����������� ������������������  to����������� ������������������  look����������� ������������������  into����������� ������������������  the����������� ������������������  mechanism����������� ������������������  involved����������� ������������������  inits����������� ������������������  generation.����������� ������������������  Looking����������� ������������������  at����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop����������� ������������������  control����������� ������������������  waveform����������� ������������������  we����������� ������������������  will����������� ������������������  normally����������� ������������������  see����������� ������������������  rippleon����������� ������������������  that����������� ������������������  signal.����������� ������������������  This����������� ������������������  ripple����������� ������������������  is����������� ������������������  in����������� ������������������  fact����������� ������������������  modulating����������� ������������������  the����������� ������������������  audio����������� ������������������  signal.����������� ������������������  Lengthening����������� ������������������  therecovery����������� ������������������  time����������� ������������������  minimizes����������� ������������������  the����������� ������������������  ripple,����������� ������������������  minimizes����������� ������������������  the����������� ������������������  modulation����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  signal����������� ������������������  and����������� ������������������  sominimizes����������� ������������������  distortions,����������� ������������������  both����������� ������������������  harmonic����������� ������������������  and����������� ������������������  intermodulation.����������� ������������������  That����������� ������������������  lengthening����������� ������������������  will����������� ������������������  alsoreduce����������� ������������������  the����������� ������������������  loudness����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  controlled����������� ������������������  signal.����������� ������������������  A����������� ������������������  fast-recovery����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  recoverydelay����������� ������������������  can����������� ������������������  sound����������� ������������������  loud����������� ������������������  and����������� ������������������  also����������� ������������������  have����������� ������������������  low����������� ������������������  distortion.����������� ������������������  This����������� ������������������  delay����������� ������������������  can����������� ������������������  be����������� ������������������  accomplished����������� ������������������  byadding����������� ������������������  hysteresis����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  control����������� ������������������  loop.����������� ������������������  Such����������� ������������������  a����������� ������������������  modified����������� ������������������  AGC����������� ������������������  voltage����������� ������������������  generator����������� ������������������  is����������� ������������������  shownin����������� ������������������  Figure����������� ������������������  7.����������� ������������������  The����������� ������������������  resulting����������� ������������������  tone-burst����������� ������������������  response����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  8.����������� ������������������  Note����������� ������������������  the����������� ������������������  slight(several����������� ������������������  milliseconds)����������� ������������������  delay����������� ������������������  prior����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  gain-increase.����������� ������������������  

Page 8: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  7����������� ������������������  -����������� ������������������  Schematic����������� ������������������  of����������� ������������������  an����������� ������������������  AGC����������� ������������������  system����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  slight����������� ������������������  delay����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  recovery����������� ������������������  

That����������� ������������������  schematic����������� ������������������  also����������� ������������������  shows����������� ������������������  the����������� ������������������  simple����������� ������������������  temperature����������� ������������������  compensation����������� ������������������  system����������� ������������������  used����������� ������������������  to����������� ������������������  makethe����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop����������� ������������������  rather����������� ������������������  independent����������� ������������������  of����������� ������������������  temperature����������� ������������������  variations.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  8����������� ������������������  -����������� ������������������  Note����������� ������������������  the����������� ������������������  slight����������� ������������������  delay����������� ������������������  prior����������� ������������������  to����������� ������������������  recovery.����������� ������������������  The����������� ������������������  test����������� ������������������  signal����������� ������������������  is����������� ������������������  a����������� ������������������  1000����������� ������������������  Hz����������� ������������������  sinusoid,being����������� ������������������  reduced����������� ������������������  in����������� ������������������  level����������� ������������������  from����������� ������������������  30����������� ������������������  dB����������� ������������������  over����������� ������������������  the����������� ������������������  threshold����������� ������������������  of����������� ������������������  compression����������� ������������������  down����������� ������������������  to����������� ������������������  20����������� ������������������  dBover����������� ������������������  threshold.����������� ������������������  The����������� ������������������  gain����������� ������������������  remains����������� ������������������  constant����������� ������������������  for����������� ������������������  about����������� ������������������  5����������� ������������������  milliseconds����������� ������������������  and����������� ������������������  then����������� ������������������  increasesover����������� ������������������  a����������� ������������������  15����������� ������������������  millisecond����������� ������������������  time����������� ������������������  frame.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  9����������� ������������������  -����������� ������������������  As����������� ������������������  above����������� ������������������  but����������� ������������������  now����������� ������������������  the����������� ������������������  test����������� ������������������  signal����������� ������������������  frequency����������� ������������������  is����������� ������������������  100����������� ������������������  Hz.����������� ������������������  Observe����������� ������������������  that����������� ������������������  the����������� ������������������  gainis����������� ������������������  increased����������� ������������������  to����������� ������������������  normal����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  20����������� ������������������  millisecond����������� ������������������  time����������� ������������������  frame����������� ������������������  but����������� ������������������  that����������� ������������������  the����������� ������������������  signal����������� ������������������  suffers����������� ������������������  novisible����������� ������������������  distortion.����������� ������������������  This����������� ������������������  system����������� ������������������  will����������� ������������������  be����������� ������������������  about����������� ������������������  as����������� ������������������  efficient����������� ������������������  as����������� ������������������  a����������� ������������������  clipper����������� ������������������  in����������� ������������������  terms����������� ������������������  of����������� ������������������  loudnessincrease,����������� ������������������  but����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  dramatic����������� ������������������  reduction����������� ������������������  in����������� ������������������  distortion.����������� ������������������  The����������� ������������������  clipper����������� ������������������  can����������� ������������������  be����������� ������������������  called����������� ������������������  into����������� ������������������  playfor����������� ������������������  additional����������� ������������������  "punch."����������� ������������������  

Is����������� ������������������  this����������� ������������������  circuit����������� ������������������  peak-sensitive?����������� ������������������  No.����������� ������������������  It����������� ������������������  is����������� ������������������  "area����������� ������������������  under����������� ������������������  the����������� ������������������  curve"����������� ������������������  sensitive.����������� ������������������  This����������� ������������������  is����������� ������������������  the����������� ������������������  bestway����������� ������������������  to����������� ������������������  go����������� ������������������  for����������� ������������������  a����������� ������������������  communications����������� ������������������  system����������� ������������������  in����������� ������������������  which����������� ������������������  loudness����������� ������������������  is����������� ������������������  the����������� ������������������  factor����������� ������������������  to����������� ������������������  be

Page 9: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

maximized.����������� ������������������  (The����������� ������������������  first-presented����������� ������������������  circuit����������� ������������������  is����������� ������������������  peak-sensitive.)����������� ������������������  Does����������� ������������������  this����������� ������������������  circuit����������� ������������������  distort?����������� ������������������  No.Distortion����������� ������������������  is����������� ������������������  very����������� ������������������  low����������� ������������������  in����������� ������������������  spite����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  fast����������� ������������������  recovery,����������� ������������������  thanks����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  delay����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  recovery.����������� ������������������  

Now����������� ������������������  let����������� ������������������  us����������� ������������������  examine����������� ������������������  how����������� ������������������  that����������� ������������������  recovery����������� ������������������  delay����������� ������������������  is����������� ������������������  accomplished;����������� ������������������  the����������� ������������������  system����������� ������������������  is����������� ������������������  illustrated����������� ������������������  inFigure����������� ������������������  10.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  10����������� ������������������  -����������� ������������������  Essentials����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  delayed-recovery����������� ������������������  scheme����������� ������������������  

The����������� ������������������  audio����������� ������������������  is����������� ������������������  made����������� ������������������  into����������� ������������������  what����������� ������������������  is����������� ������������������  called����������� ������������������  absolute-value����������� ������������������  (full-wave����������� ������������������  rectified)����������� ������������������  by����������� ������������������  diodes����������� ������������������  D1and����������� ������������������  D2.����������� ������������������  This����������� ������������������  signal����������� ������������������  is����������� ������������������  divided����������� ������������������  down����������� ������������������  by����������� ������������������  half����������� ������������������  using����������� ������������������  resistors����������� ������������������  R1����������� ������������������  and����������� ������������������  R2.����������� ������������������  The����������� ������������������  reduced-value����������� ������������������  signal����������� ������������������  is����������� ������������������  applied����������� ������������������  to����������� ������������������  diode����������� ������������������  D4����������� ������������������  to����������� ������������������  charge����������� ������������������  capacitor����������� ������������������  C1.����������� ������������������  The����������� ������������������  voltage����������� ������������������  across����������� ������������������  C1����������� ������������������  is����������� ������������������  thegain-controlling����������� ������������������  voltage����������� ������������������  which����������� ������������������  is����������� ������������������  eventually����������� ������������������  routed����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  variolosser.����������� ������������������  But����������� ������������������  note����������� ������������������  thatcapacitor����������� ������������������  C1����������� ������������������  can����������� ������������������  only����������� ������������������  discharge����������� ������������������  via����������� ������������������  diode����������� ������������������  D5.����������� ������������������  And����������� ������������������  that����������� ������������������  diode����������� ������������������  is����������� ������������������  back-biased����������� ������������������  by����������� ������������������  avoltage����������� ������������������  greater����������� ������������������  than����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  voltage����������� ������������������  by����������� ������������������  the����������� ������������������  charge����������� ������������������  on����������� ������������������  capacitor����������� ������������������  C2.����������� ������������������  C2����������� ������������������  has����������� ������������������  beencharged����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  full����������� ������������������  absolute-value����������� ������������������  voltage����������� ������������������  via����������� ������������������  R4����������� ������������������  and����������� ������������������  D3.����������� ������������������  Upon����������� ������������������  removal����������� ������������������  (or����������� ������������������  reduction����������� ������������������  inamplitude)����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  audio����������� ������������������  voltage,����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  voltage����������� ������������������  remains����������� ������������������  constant����������� ������������������  until����������� ������������������  C2����������� ������������������  discharges(via����������� ������������������  R4����������� ������������������  and����������� ������������������  R3).����������� ������������������  If����������� ������������������  the����������� ������������������  timing����������� ������������������  is����������� ������������������  such����������� ������������������  that����������� ������������������  the����������� ������������������  delay����������� ������������������  is����������� ������������������  about����������� ������������������  5����������� ������������������  milliseconds����������� ������������������  then����������� ������������������  theAGC����������� ������������������  voltage����������� ������������������  will����������� ������������������  have����������� ������������������  no����������� ������������������  ripple����������� ������������������  on����������� ������������������  it����������� ������������������  even����������� ������������������  while����������� ������������������  the����������� ������������������  system����������� ������������������  is����������� ������������������  passing����������� ������������������  a����������� ������������������  100����������� ������������������  Hzsinusoid.����������� ������������������  

The����������� ������������������  component����������� ������������������  values����������� ������������������  shown����������� ������������������  offer����������� ������������������  an����������� ������������������  attack����������� ������������������  time����������� ������������������  of����������� ������������������  about����������� ������������������  3����������� ������������������  milliseconds,����������� ������������������  a����������� ������������������  recoverydelay����������� ������������������  of����������� ������������������  about����������� ������������������  5����������� ������������������  milliseconds����������� ������������������  and����������� ������������������  a����������� ������������������  recovery����������� ������������������  time����������� ������������������  after����������� ������������������  that����������� ������������������  delay����������� ������������������  of����������� ������������������  about����������� ������������������  10milliseconds.����������� ������������������  This����������� ������������������  results����������� ������������������  in����������� ������������������  a����������� ������������������  very����������� ������������������  high����������� ������������������  average����������� ������������������  value����������� ������������������  of����������� ������������������  audio����������� ������������������  with����������� ������������������  very����������� ������������������  low����������� ������������������  distortion.����������� ������������������  

The����������� ������������������  clipper����������� ������������������  

Page 10: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Because����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  several����������� ������������������  millisecond����������� ������������������  attack����������� ������������������  time,����������� ������������������  the����������� ������������������  above-described����������� ������������������  AGC����������� ������������������  block����������� ������������������  will����������� ������������������  notcontrol����������� ������������������  modulation����������� ������������������  on����������� ������������������  a����������� ������������������  peak����������� ������������������  basis.����������� ������������������  It����������� ������������������  will,����������� ������������������  however,����������� ������������������  have����������� ������������������  a����������� ������������������  strikingly����������� ������������������  high����������� ������������������  averageoutput����������� ������������������  level.����������� ������������������  It����������� ������������������  also����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  very����������� ������������������  "smooth"����������� ������������������  sound.����������� ������������������  A����������� ������������������  clipper����������� ������������������  must����������� ������������������  be����������� ������������������  added����������� ������������������  to����������� ������������������  catch����������� ������������������  thosetransients����������� ������������������  that����������� ������������������  escape����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop.����������� ������������������  First����������� ������������������  let����������� ������������������  us����������� ������������������  look����������� ������������������  at����������� ������������������  an����������� ������������������  elementary����������� ������������������  clipper.����������� ������������������  For����������� ������������������  thisdesign����������� ������������������  we����������� ������������������  have����������� ������������������  chosen����������� ������������������  a����������� ������������������  simple����������� ������������������  shunt-diode����������� ������������������  arrangement.����������� ������������������  Each����������� ������������������  diode����������� ������������������  is����������� ������������������  back-biasedso����������� ������������������  that����������� ������������������  it����������� ������������������  does����������� ������������������  not����������� ������������������  conduct����������� ������������������  until����������� ������������������  a����������� ������������������  certain����������� ������������������  voltage����������� ������������������  has����������� ������������������  been����������� ������������������  reached.����������� ������������������  These����������� ������������������  voltages����������� ������������������  arederived����������� ������������������  from����������� ������������������  a����������� ������������������  voltage����������� ������������������  divider����������� ������������������  feeding����������� ������������������  an����������� ������������������  opamp,����������� ������������������  and����������� ������������������  from����������� ������������������  the����������� ������������������  output����������� ������������������  of����������� ������������������  that����������� ������������������  firstopamp����������� ������������������  applied����������� ������������������  to����������� ������������������  a����������� ������������������  polarity-inverting����������� ������������������  second����������� ������������������  opamp.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  11����������� ������������������  -����������� ������������������  Schematic����������� ������������������  of����������� ������������������  a����������� ������������������  simple����������� ������������������  clipper.����������� ������������������  The����������� ������������������  trimmer����������� ������������������  is����������� ������������������  used����������� ������������������  to����������� ������������������  adjust����������� ������������������  the����������� ������������������  clippingthreshold����������� ������������������  so����������� ������������������  that����������� ������������������  when����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  block����������� ������������������  is����������� ������������������  delivering����������� ������������������  its����������� ������������������  usual����������� ������������������  output����������� ������������������  the����������� ������������������  clipper����������� ������������������  is����������� ������������������  on����������� ������������������  theverge����������� ������������������  of����������� ������������������  clipping.����������� ������������������  That����������� ������������������  trimmer����������� ������������������  is����������� ������������������  not����������� ������������������  on����������� ������������������  the����������� ������������������  front����������� ������������������  panel����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  equipment.����������� ������������������  

If����������� ������������������  a����������� ������������������  sinusoid����������� ������������������  several����������� ������������������  dB����������� ������������������  above����������� ������������������  the����������� ������������������  clipping����������� ������������������  threshold����������� ������������������  is����������� ������������������  applied����������� ������������������  to����������� ������������������  this����������� ������������������  circuit����������� ������������������  the����������� ������������������  outputwill����������� ������������������  appear����������� ������������������  as����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  12.����������� ������������������  

Page 11: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  12����������� ������������������  -����������� ������������������  Output����������� ������������������  from����������� ������������������  the����������� ������������������  simple����������� ������������������  clipper����������� ������������������  

The����������� ������������������  multiple����������� ������������������  waveforms����������� ������������������  shown����������� ������������������  are����������� ������������������  a����������� ������������������  result����������� ������������������  of����������� ������������������  changing����������� ������������������  the����������� ������������������  temperature����������� ������������������  over����������� ������������������  a����������� ������������������  widerange.����������� ������������������  The����������� ������������������  silicon����������� ������������������  diodes����������� ������������������  have����������� ������������������  a����������� ������������������  distinct����������� ������������������  change����������� ������������������  in����������� ������������������  their����������� ������������������  forward����������� ������������������  voltage����������� ������������������  drop����������� ������������������  as����������� ������������������  thetemperature����������� ������������������  varies,����������� ������������������  resulting����������� ������������������  in����������� ������������������  an����������� ������������������  output����������� ������������������  level����������� ������������������  change����������� ������������������  with����������� ������������������  temperature.����������� ������������������  Fortunatelythis����������� ������������������  can����������� ������������������  be����������� ������������������  corrected����������� ������������������  very����������� ������������������  easily����������� ������������������  as����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  13.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  13����������� ������������������  -����������� ������������������  Schematic����������� ������������������  of����������� ������������������  a����������� ������������������  temperature-compensated����������� ������������������  clipper����������� ������������������  

The����������� ������������������  output����������� ������������������  from����������� ������������������  this����������� ������������������  temperature-compensated����������� ������������������  clipper����������� ������������������  will����������� ������������������  appear����������� ������������������  as����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  14.����������� ������������������  

Page 12: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  14����������� ������������������  -����������� ������������������  Output����������� ������������������  from����������� ������������������  the����������� ������������������  temperature-compensated����������� ������������������  clipper����������� ������������������  

The����������� ������������������  output����������� ������������������  level����������� ������������������  remains����������� ������������������  quite����������� ������������������  stable����������� ������������������  over����������� ������������������  a����������� ������������������  very����������� ������������������  wide����������� ������������������  temperature����������� ������������������  range.����������� ������������������  By����������� ������������������  the����������� ������������������  simpleaddition����������� ������������������  of����������� ������������������  one����������� ������������������  diode����������� ������������������  and����������� ������������������  one����������� ������������������  resistor����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  simple����������� ������������������  circuit,����������� ������������������  the����������� ������������������  change����������� ������������������  in����������� ������������������  diodecharacteristics����������� ������������������  with����������� ������������������  temperature����������� ������������������  vanishes.����������� ������������������  

This����������� ������������������  clipper����������� ������������������  design����������� ������������������  uses����������� ������������������  only����������� ������������������  a����������� ������������������  volt����������� ������������������  or����������� ������������������  two����������� ������������������  for����������� ������������������  the����������� ������������������  diode����������� ������������������  back-bias����������� ������������������  voltage.����������� ������������������  As����������� ������������������  a����������� ������������������  resultthe����������� ������������������  transfer����������� ������������������  curve����������� ������������������  is����������� ������������������  slightly����������� ������������������  rounded����������� ������������������  instead����������� ������������������  of����������� ������������������  being����������� ������������������  "textbook����������� ������������������  abrupt."����������� ������������������  This����������� ������������������  causes����������� ������������������  anoticeable����������� ������������������  reduction����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  very����������� ������������������  high����������� ������������������  order����������� ������������������  harmonic����������� ������������������  generation����������� ������������������  as����������� ������������������  well����������� ������������������  as����������� ������������������  a����������� ������������������  trivial����������� ������������������  dropin����������� ������������������  "efficiency"����������� ������������������  as����������� ������������������  compared����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  textbook����������� ������������������  clipper.����������� ������������������  

Between����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  system����������� ������������������  and����������� ������������������  the����������� ������������������  clipper����������� ������������������  we����������� ������������������  will����������� ������������������  install����������� ������������������  a����������� ������������������  gain����������� ������������������  block.����������� ������������������  If����������� ������������������  this����������� ������������������  block����������� ������������������  isoperating����������� ������������������  at����������� ������������������  unity����������� ������������������  gain,����������� ������������������  it����������� ������������������  is����������� ������������������  essentially����������� ������������������  transparent����������� ������������������  and����������� ������������������  we����������� ������������������  are����������� ������������������  operating����������� ������������������  the����������� ������������������  clipper����������� ������������������  atthreshold.����������� ������������������  When����������� ������������������  the����������� ������������������  gain����������� ������������������  block����������� ������������������  has����������� ������������������  gain����������� ������������������  greater����������� ������������������  than����������� ������������������  unity����������� ������������������  we����������� ������������������  can����������� ������������������  add����������� ������������������  some����������� ������������������  clippingfor����������� ������������������  additional����������� ������������������  signal����������� ������������������  loudness.����������� ������������������  The����������� ������������������  best����������� ������������������  way����������� ������������������  to����������� ������������������  add����������� ������������������  gain����������� ������������������  is����������� ������������������  to����������� ������������������  have����������� ������������������  a����������� ������������������  shaped����������� ������������������  response����������� ������������������  inthis����������� ������������������  clipper-driver����������� ������������������  block����������� ������������������  so����������� ������������������  that����������� ������������������  when����������� ������������������  additional����������� ������������������  clipping����������� ������������������  is����������� ������������������  desired,����������� ������������������  mostly����������� ������������������  the����������� ������������������  upperaudio����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  are����������� ������������������  increased.����������� ������������������  A����������� ������������������  circuit����������� ������������������  which����������� ������������������  does����������� ������������������  this����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  15.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  15����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  clipper����������� ������������������  driver����������� ������������������  

When����������� ������������������  the����������� ������������������  resistor����������� ������������������  R2����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  schematic����������� ������������������  is����������� ������������������  set����������� ������������������  to����������� ������������������  zero����������� ������������������  ohms,����������� ������������������  this����������� ������������������  circuit����������� ������������������  is����������� ������������������  simply����������� ������������������  a����������� ������������������  unitygain����������� ������������������  block.����������� ������������������  As����������� ������������������  R2����������� ������������������  is����������� ������������������  increased����������� ������������������  the����������� ������������������  upper����������� ������������������  audio����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  are����������� ������������������  boosted.����������� ������������������  Figure����������� ������������������  16

Page 13: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

shows����������� ������������������  the����������� ������������������  resulting����������� ������������������  family����������� ������������������  of����������� ������������������  curves.����������� ������������������  When����������� ������������������  R2����������� ������������������  is����������� ������������������  zero����������� ������������������  ohms����������� ������������������  the����������� ������������������  bottom����������� ������������������  plot����������� ������������������  results.����������� ������������������  Asit����������� ������������������  is����������� ������������������  increased����������� ������������������  the����������� ������������������  response����������� ������������������  at����������� ������������������  the����������� ������������������  upper����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  increases.����������� ������������������  This����������� ������������������  technique����������� ������������������  minimizesintermodulation����������� ������������������  distortion����������� ������������������  (of����������� ������������������  upper����������� ������������������  audio����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  by����������� ������������������  lower����������� ������������������  audio����������� ������������������  frequencies)����������� ������������������  andallows����������� ������������������  the����������� ������������������  weaker����������� ������������������  upper����������� ������������������  audio����������� ������������������  frequencies����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  emphasized.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  16����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  clipper����������� ������������������  driver����������� ������������������  frequency����������� ������������������  response����������� ������������������  

With����������� ������������������  an����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop����������� ������������������  that����������� ������������������  might����������� ������������������  be����������� ������������������  considered����������� ������������������  slow-acting����������� ������������������  or����������� ������������������  sluggish,����������� ������������������  the����������� ������������������  clipper����������� ������������������  willoperate����������� ������������������  a����������� ������������������  considerable����������� ������������������  portion����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  time����������� ������������������  on����������� ������������������  speech����������� ������������������  signals.����������� ������������������  The����������� ������������������  clipper����������� ������������������  will����������� ������������������  operate����������� ������������������  atits����������� ������������������  threshold����������� ������������������  (on����������� ������������������  the����������� ������������������  verge����������� ������������������  of����������� ������������������  clipping)����������� ������������������  with����������� ������������������  a����������� ������������������  sinusoid����������� ������������������  applied����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop����������� ������������������  input.On����������� ������������������  speech����������� ������������������  waveforms����������� ������������������  it����������� ������������������  will����������� ������������������  be����������� ������������������  seen����������� ������������������  that����������� ������������������  a����������� ������������������  few����������� ������������������  dB����������� ������������������  of����������� ������������������  clipping����������� ������������������  will����������� ������������������  occur����������� ������������������  fairlyconsistently.����������� ������������������  This����������� ������������������  is����������� ������������������  not����������� ������������������  very����������� ������������������  evident����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  ear.����������� ������������������  But����������� ������������������  the����������� ������������������  clipped����������� ������������������  wave����������� ������������������  has����������� ������������������  harmoniccontent,����������� ������������������  which����������� ������������������  must����������� ������������������  be����������� ������������������  removed.����������� ������������������  This����������� ������������������  "post-clipping����������� ������������������  lowpass"����������� ������������������  filter����������� ������������������  needs����������� ������������������  to����������� ������������������  removecomponents����������� ������������������  caused����������� ������������������  by����������� ������������������  clipping,����������� ������������������  but����������� ������������������  only����������� ������������������  those����������� ������������������  over����������� ������������������  3000����������� ������������������  Hz����������� ������������������  or����������� ������������������  so.����������� ������������������  The����������� ������������������  filter����������� ������������������  should����������� ������������������  beof����������� ������������������  a����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  type,����������� ������������������  it����������� ������������������  should����������� ������������������  have����������� ������������������  a����������� ������������������  flat����������� ������������������  response����������� ������������������  out����������� ������������������  to����������� ������������������  its����������� ������������������  cutoff����������� ������������������  frequency,����������� ������������������  and����������� ������������������  then����������� ������������������  itshould����������� ������������������  drop����������� ������������������  as����������� ������������������  fast����������� ������������������  as����������� ������������������  possible.����������� ������������������  A����������� ������������������  filter����������� ������������������  to����������� ������������������  accomplish����������� ������������������  this����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  17.����������� ������������������  (For����������� ������������������  thetechnically-inclined,����������� ������������������  this����������� ������������������  is����������� ������������������  a����������� ������������������  fifth-order����������� ������������������  Chebyshev����������� ������������������  with����������� ������������������  0.2����������� ������������������  dB����������� ������������������  of����������� ������������������  passband����������� ������������������  ripple.)����������� ������������������  

Page 14: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  17����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  post-clipping����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  schematic����������� ������������������  

The����������� ������������������  response����������� ������������������  of����������� ������������������  that����������� ������������������  filter����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  18.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  18����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  post-clipping����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  frequency����������� ������������������  response����������� ������������������  

This����������� ������������������  filter����������� ������������������  will����������� ������������������  satisfactorily����������� ������������������  remove����������� ������������������  the����������� ������������������  splatter����������� ������������������  which����������� ������������������  would����������� ������������������  otherwise����������� ������������������  result����������� ������������������  fromclipping.����������� ������������������  A����������� ������������������  problem����������� ������������������  with����������� ������������������  such����������� ������������������  a����������� ������������������  filter����������� ������������������  is����������� ������������������  that,����������� ������������������  when����������� ������������������  driven����������� ������������������  by����������� ������������������  a����������� ������������������  squared����������� ������������������  waveform����������� ������������������  (aswould����������� ������������������  result����������� ������������������  from����������� ������������������  clipping),����������� ������������������  it����������� ������������������  will����������� ������������������  have����������� ������������������  an����������� ������������������  overshoot����������� ������������������  at����������� ������������������  its����������� ������������������  output.����������� ������������������  This����������� ������������������  is����������� ������������������  a����������� ������������������  result����������� ������������������  of����������� ������������������  thesharp����������� ������������������  cutoff.����������� ������������������  Mathematically����������� ������������������  it����������� ������������������  is����������� ������������������  a����������� ������������������  result����������� ������������������  of����������� ������������������  a����������� ������������������  truncation����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  higher����������� ������������������  terms.����������� ������������������  Thoseovershoots����������� ������������������  can����������� ������������������  cause����������� ������������������  overmodulation.����������� ������������������  This����������� ������������������  overmodulation����������� ������������������  can����������� ������������������  be����������� ������������������  prevented����������� ������������������  bylowering����������� ������������������  the����������� ������������������  modulation����������� ������������������  level����������� ������������������  by����������� ������������������  perhaps����������� ������������������  35%����������� ������������������  (the����������� ������������������  amplitude����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  overshoots)����������� ������������������  butthat����������� ������������������  is����������� ������������������  quite����������� ������������������  a����������� ������������������  penalty.

Page 15: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  19����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  post-clipping����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  transient����������� ������������������  response����������� ������������������  

Numerous����������� ������������������  schemes����������� ������������������  to����������� ������������������  counter����������� ������������������  these����������� ������������������  overshoots����������� ������������������  have����������� ������������������  been����������� ������������������  developed����������� ������������������  during����������� ������������������  the����������� ������������������  years.The����������� ������������������  more����������� ������������������  effective����������� ������������������  ones����������� ������������������  are����������� ������������������  quite����������� ������������������  complicated.����������� ������������������  A����������� ������������������  simple����������� ������������������  method,����������� ������������������  quite����������� ������������������  practical,����������� ������������������  isincluded����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  of����������� ������������������  Figure����������� ������������������  20.

Figure����������� ������������������  20����������� ������������������  -����������� ������������������  Schematic����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  post-clipping����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  with����������� ������������������  overshoot����������� ������������������  correction����������� ������������������  

Page 16: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  21����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  post-clipping����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  frequency����������� ������������������  response����������� ������������������  with����������� ������������������  correction����������� ������������������  

This����������� ������������������  filter����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  step����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  magnitude����������� ������������������  response����������� ������������������  wherein����������� ������������������  the����������� ������������������  upper����������� ������������������  modulatingcomponents����������� ������������������  are����������� ������������������  attenuated����������� ������������������  about����������� ������������������  2����������� ������������������  dB����������� ������������������  compared����������� ������������������  to����������� ������������������  the����������� ������������������  lower����������� ������������������  components.����������� ������������������  Thisdesign����������� ������������������  has����������� ������������������  a����������� ������������������  "step"����������� ������������������  in����������� ������������������  its����������� ������������������  magnitude����������� ������������������  response.����������� ������������������  

Figure����������� ������������������  22����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  post-clipping����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  transient����������� ������������������  response����������� ������������������  after����������� ������������������  correction����������� ������������������  

Page 17: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

The����������� ������������������  overshoots����������� ������������������  have����������� ������������������  been����������� ������������������  changed����������� ������������������  to����������� ������������������  what����������� ������������������  might����������� ������������������  be����������� ������������������  called����������� ������������������  "undershoots",����������� ������������������  which����������� ������������������  arequite����������� ������������������  harmless.����������� ������������������  

Metering����������� ������������������  

The����������� ������������������  gain-reduction����������� ������������������  (compression)����������� ������������������  metering����������� ������������������  scheme����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  23,����������� ������������������  at����������� ������������������  the����������� ������������������  lower-right����������� ������������������  corner.����������� ������������������  The����������� ������������������  available����������� ������������������  signal����������� ������������������  is����������� ������������������  about����������� ������������������  2����������� ������������������  volts����������� ������������������  DC,����������� ������������������  which����������� ������������������  seems����������� ������������������  to����������� ������������������  be����������� ������������������  a����������� ������������������  value����������� ������������������  quiteuseable����������� ������������������  by����������� ������������������  a����������� ������������������  bargraph����������� ������������������  display����������� ������������������  (or����������� ������������������  oscilloscope).����������� ������������������  Perhaps����������� ������������������  an����������� ������������������  agile����������� ������������������  analog����������� ������������������  metermovement����������� ������������������  could����������� ������������������  be����������� ������������������  used.����������� ������������������  

Page 18: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  23����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  schematic����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  bias-generation����������� ������������������  and����������� ������������������  temperature-compensationcircuit,����������� ������������������  with����������� ������������������  the����������� ������������������  metering����������� ������������������  system����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  the����������� ������������������  lower-right����������� ������������������  corner.����������� ������������������  

The����������� ������������������  schematic����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  complete����������� ������������������  system����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  in����������� ������������������  Figure����������� ������������������  24.����������� ������������������  

Page 19: Speech Amplifier Paper by WB6BLD

Figure����������� ������������������  24����������� ������������������  -����������� ������������������  The����������� ������������������  schematic����������� ������������������  of����������� ������������������  the����������� ������������������  AGC����������� ������������������  loop,����������� ������������������  metering,����������� ������������������  clipper-driver,����������� ������������������  clipper����������� ������������������  and����������� ������������������  post-clip����������� ������������������  lowpass����������� ������������������  filter����������� ������������������  is����������� ������������������  shown����������� ������������������  here.����������� ������������������  The����������� ������������������  microphone����������� ������������������  preamp����������� ������������������  and����������� ������������������  associated����������� ������������������  filters����������� ������������������  are����������� ������������������  notshown.����������� ������������������  

Reference����������� ������������������  

"Compression����������� ������������������  and����������� ������������������  Clipping",����������� ������������������  James����������� ������������������  L.����������� ������������������  Tonne,����������� ������������������  W5SUC,����������� ������������������  QST,����������� ������������������  September,����������� ������������������  1956����������� ������������������