CN1087122C - 一种用户线接口电路 - Google Patents

Abstract

为了实现电源控制，平衡放大器输出检测电压。电平移动电路使检测电压的电平移动到正5伏系统即低耐压系统的电平移动电压。加法器把参考电压V_REF2作为直流偏置电压加在电平移动电压上，产生相加电压。可变衰减器对相加电压进行衰减，产生衰减电压。减法器从衰减电压中减去参考电压V_REF2，产生相减电压。相减电压由电压一电流转换电路转换成电流，并作为高耐压系统的信号输送回平衡放大器。这样，可由低耐压电路实现信号处理。

Description

一种用户线接口电路

本发明涉及一种用于电话交换系统的用户线接口电路。

用户线接口电路是包括在交换系统中的。以下会清楚地看到，这种用户线接口电路包括：连接到二线制线路上的平衡运算放大器，连接到运算放大器上、并通过电压比较器来决定馈入电阻的反馈控制单元，连接到电压比较器上的低通滤波器，以及连接在低通滤波器和运算放大器之间的电压-电流转换电路。

低通滤波器、电压比较器和运算放大器一般都采用负48伏的电源系统。因此，要求低通滤波器必须由具有高耐压性能的电路元件来实现。对电压比较器也是这样。特别是低通滤波器和电压比较器由LSI(大规模集成电路)来实现时，其成本会上升。除了成本高以外，它们也不适合于通过使用CPU(中央处理单元)等的软件控制方法，来改变馈入电阻，恒流值常数等。

因此，本发明的目的是提供一种用户线接口电路，它可由CMOS电路以低成本实现。

根据本发明的用户线接口电路连接到二线制线路上，包括具有反相和同相输入端以及反相和同相输出端的平衡放大器。平衡放大器把加在反相和同相输入端之间的输入电压加以放大，并产生反相和同相输出，该输出由基于第一参考电压具有幅度相同而极性不同的反相和同相电压来确定。该用户线接口电路还包括：连接在二线制线路的一端和反相输入端之间的第一电阻，连接在二线制线路的另一端和同相输入端之间的第二电阻，连接在反相输入端和同相输出端之间的第三电阻，连接在同相输入端和反相输出端之间的第四电阻，连接在二线制线路的一端和反相输出端之间的第五电阻，以及连接在二线制线路另一端和同相输出端之间的第六电阻。

根据本发明的一个方面，用户线接口电路还包括具有衰减功能的电平移动电路。用来移动反相电压到预先设定的一个电源的电压范围中，以产生电平移动电压；连接到电平移动电路上的加法器，用来把电平移动电压加在第二参考电压上，以产生相加电压；连接到加法器上的可变衰减器，用来在第二参考电压基础上以预设系数对相加电压进行衰减，以产生衰减电压；连接到可变衰减器上的减法器，用来从衰减电压中减去第二参考电压，以产生相减电压；连接到减法器上的低通滤波器，用来对相减电压进行滤波，以产生滤波电压；以及连接到低通滤波器上的电压-电流转换电路，用来把滤波电压转换成转换电流，并输出转换电流到反相输入端。

图1是普通的用户线接口电路的电路图；

图2是图1所示电路的线路电流与线路阻抗的关系曲线图；

图3是根据本发明的用户线接口电路的电路图；

图4是图3所示的可变衰减器的输出电压与输入电压的关系曲线图；以及

图5是详细说明了图3中的电平移动电路，加法器和减法器的电路图。

为了便于更好地理解本发明，将参照图1，先对普通的用户线接口电路进行说明。

该用户线接口电路连接到二线制线路上，该二线制线路在“塞尖”  (Tip)和“塞环”(Ring)之间具有阻值为R_L的线路阻抗。用户线路接口电路包括具有反相和同相输入端以及反相和同相输出端的平衡放大器A1。平衡放大器A1用来放大加在反相和同相输入端之间的输入电压，并产生反相和同相输出，该输出由基于第一参考电压V_REF1幅度相同而极性不同的反相和同相电压来确定。第一电阻1连接在“塞环”和反相输入端之间。第二电阻2连接在“塞环”和同相输入端之间。第三电阻3连接在反相输入端和同相输出端之间。第四电阻4连接在同相输入端和反相输出端之间。第一到第四电阻1到4中的每一个都具有相同的阻值R。第五电阻5连接在“塞环”和反相输出端之间。第六电阻6连接在“塞环”和同相输出端之间。第五和第六电阻5和6具有相同的阻值R_F。这样，分别通过第一和第三电阻1和3，在“塞环”到反相输入端和同相输出端之间形成反馈线路。相似地，分别通过第二和第四电阻2和4，在“塞环”到同相输入端和反相输出端之间形成反馈线路。结果，平衡放大器A1的增益等于1。

反相输出端通过阻值分别为R14和R15的电阻14和15接地。反相输出端的输出电压由电阻14和15分压。所得分压输入到电压比较器A2的第一同相输入端。电压比较器A2的第二同相输入端连接到具有参考电压V_REF的直流电压或电源上。在电压比较器A2中，当分压高于参考电压V_REF时，分压变为有效。反之，当参考电压V_REF高于分压时，参考电压V_REF变为有效。电压比较器A2具有电压跟随器的功能。换句话说，电压比较器A2起到缓冲放大器的作用。这样，电压比较器A2以低阻抗提供等于较高有效电压的输出电压。

电压比较器A2的输出电压输入到低通滤波器LPF。低通滤波器LPF为电压-电流转换电路A3提供滤波电压。滤波电压通过电压电流转换电路A3转换成输出电流。输出电流输入到平衡放大器A1的反相输入端。在电压-电流转换电路A3中，滤波电压通过阻值为R的电阻13转换成输出电流。这种情况下，转换系数Gm可由下式表示：

Gm＝1/R                       (1)

平衡放大器A1具有同相反馈的参考检测电压，它用第一参考电压V_REF1表示，以使输出平衡。假定第一参考电压V_REF1等于为平衡放大器A1供电的负电源电压V_BB(未画出)的一半。

现在计算从“塞环”和“塞环”看的等效阻值(馈入阻值)R_DC以及从“塞环”流向“塞环”的线路电流I_L。因为平衡放大器A1检测出反相和同相输出端之间的电压的一半，并连接到同相反馈线路上，所以反相输出端和地之间的电压等于同相输出端和负电源电压V_BB的电源端之间的电压。假定这一电压等于V₂、电压V₂通过电阻14和15形成分压V_D，分压V_D可由下式表示：

V_D＝V₂{R15/(R14+R15)}           (2)

在|V_D|＞|V_REF|的情况下，分压V_D成为电压比较器A2的有效输入电压。电压比较器A2以分压V_D作为输出电压。通过低通滤波器LPF，交流分量从分压V_D中滤出。结果，分压V_D只有直流分量。分压V_D通过电压-电流转换电路A3以系数1/R转换成输出电流。输出电流叠加在平衡放大器A1反相输入端的输入之中。

因为平衡放大器A1是同相反馈型，“塞环”和地之间的电压等于“塞环”和负电源电压V_BB的电源端之间的电压。假定这一电压等于V₁。在这种情况下，电压V₁可由下列等式给出：

V₂＝V₁-I_LR_F                               (3)

V_BB-2V₂＝V_BB-2V₁+V₂R15/(R14+R15)     (4)

V₁＝(V_BB-I_LR_L)/2                         (5)

这样，可给出下式，

β＝R15/(R14+R15)                        (6)

结果，式(4)可由下式表示，

2V₁＝(2+β)V₂                            (4′)

由式(3)和(4′)，可推出下式，

V₁＝{(β+2)/β}I_LR_F                      (7)通过式(5)和(7)消去电压V₁，线路电路I_L可由下式给出， $I_L=\frac{V_{\mathrm{BB}}}{R_L+\frac{2(\mathrm{\β}+2)}{\mathrm{\β}}{R}_F}---\left(8\right)$ 由电路的上述平衡特性，“塞环”和地之间的等效电阻(馈入电阻)等于“塞环”和负电源电压V_BB的电源端之间的等效电阻。假定这一电阻等于R_DC。这样，线路电路I_L可由下式给出，

I_L＝V_BB/(R_L+2R_DC)                    (9)由式(8)和(9)可推出下式：

R_DC＝{(β+2)/β}R_F                   (10)式(10)意味着可以通过改变电阻R14和电阻R15的比值而任意选取等效电阻(线路电阻)R_DC的阻值。

另外，在|V_D|＜|V_REF|的情况下，参考电压V_REF成为电压比较器A2的有效输入电压。电压比较器以参考电压V_REF作为输出电压。式(4)应变为下式，

V_BB-2V₂＝V_BB-2V₁+V_REF                   (11)由式(3)和(11)，线路电流I_L由下式给出，

I_L＝V_REF/2R_F                                    (12)这意味着线路电流I_L和线路电阻R_L无关。换句话说，可以通过改变参考电压V_REF而获得所要求的恒流特性。

参照图2，当线路电阻低于某一特定值R_L1时，电路具有恒定电阻特性。当线路电阻高于这一特定值R_L1时，电路具有恒流特性。

上述电路被称作半恒流电源型。在这种电路中，当电路具有较低的线路电阻时，可以降低功耗。

同时，上述用户线接口电路要求平衡放大器A1由负48伏的电源供电工作。和平衡放大器A1一样，电压比较器A2和低通滤波器LPF也由负48伏的电源供电。这就意味着低通滤波器LPF必须由具有高耐压性能的电路元件来实现。这种电路元件的成本很高。类似地，电压比较器A2也必须由具有高耐压性能的电路元件来实现。特别是低通滤波器LPF和电压比较器A2由LSI来实现时，其成本会提高。除了成本高以外，它们还不适合于通过使用CPU等的软件控制方法，来改变馈入电阻、恒流值常数等。

参照图3，接着将对根据本发明优选实施方案的用户线接口电路进行说明。这一电路所包括的部分除了电平移动电路LS、加法器ADD、可编程的可变衰减器ATT和减法器SUB以外，其余的和图1所示的相似。

电平移动电路LS具有衰减功能，亦能检测平衡放大器A1反相输出端的电压，以使电压保持在低于正5伏电源的范围中。也就是说，电平移动电路LS以地电位为基础使电压反向，并以恒定的衰减系数K1使电压衰减。电平移动电路LS执行电平移动操作，将从负48伏的电源系统来的电平移动到正5伏电压范围内。电平移动电路输出电平移动电压V_LS到加法器ADD。加法器ADD输入有第二参考电压V_REF2，并把第二参考电  V_REF2和电平移动电压V_LS相加。加法器ADD输出相加电压V_ADD到可变衰减器ATT。可变衰减器ATT输入有第二参考电压V_REF2和第三参考电压V_REF3。相加电压V_ADD由可变衰减器ATT在第二参考电压的基础上以恒定的衰减系数K2进行衰减。可变衰减器ATT输出衰减电压V_ATT到减法器SUB。

减法器SUB输入有第二参考电压V_REF2和衰减电压V_ATT，并从衰减电压V_ATT中减去第二参考电压V_REF2。减法器SUB输出相减电压V_SUB到低通滤波器LPF。低通滤波器LPF从相减电压V_SUB中除去交流分量，产生只有直流分量的滤波电压。在电压-电流转换电路A3中，滤波电压通过具有阻值R的电阻13转换成输出电流。这时，转换系数Gm可由Gm＝K3/R表示。输出电流I由下式给出，

I＝K3 V/R                                (13)输出电流I被输送到平衡放大器A1的反相端。

下面将接着说明计算从“塞环”和“塞环”看的等效电阻(馈入电阻)R_DC以及从“塞环”流向“塞环”的线路电流I_L。计算过程基本上和结合图1所作的计算相同。因此，对相同部分的计算过程将不再叙述。

电平移动电路LS由平衡放大器A1的反相端提供电压V2。因为电平移动电路LS具有恒定的衰减系数K1和使电压V2的极性反向的倒相功能，电平移动电压V_LS可由下式表示：

V_LS＝-K1V2                             (14)由加法器ADD输出的相加电压V_DD可由下式表示，

V_ADD＝-K1V2+V_REF2                      (15)

因为可变衰减器ATT在第二参考电压的基础上以恒定的衰减系数K2对相加电压V_ADD进行衰减，衰减电压V_ATT可由下式表示，

V_ATT＝-K1K2V2+V_REF2                    (16)

因为减法器SUB从衰减电压V_ATT中减去第二参考电压，相减电压V_SUB可由下式表示，

V_SUB＝-K1K2V2                          (17)

由式(17)明显可见，相减电压V_SUB不受第二参考电压V_REF2的影响。

尽管相减电压V_SUB实际上具有交流分量，但该交流分量可由低通滤波器LPF除去。为方便起见，由式(17)表示的相减电压V_SUB只代表直流分量。所以由低通滤波器LPF输出的滤波电压等于相减电压V_SUB。

相减电压V_SUB由电压-电流转换电路A3以转换系数K3/R转换成输出电流I。输出电流I输入到平衡放大器A1的反相端，通过阻值为R的反馈电阻转换成电压。

和结合图1所述的一样，由于平衡放大器A1具有输出平衡特性，反相端和地之间的电压V2等于同相端和负电源电压V_BB的电源端之间的电压。另一方面，“塞环”和地之间的电压V1等于“塞环”和负电源电压V_BB的电源端之间的电压。

在上述条件下，可推出下列等式，

V2＝V1-I_LR_F                          (18)

V_BB-2V2＝V_BB-2V1+K1K2K3V2            (19)

V1＝(V_BB-I_LR_L)/2                     (20)式(18)到(20)分别和参照图1所述的式(3)到(5)相对应。和前面所述过程相同，线路电流I_L可由下式表示， $I_L=\frac{V_{\mathrm{BB}}}{R_L+\frac{2(K1K2K3+2)}{K1K2K3}{R}_F}---\left(21\right)$

如果代表“塞塞环”和地之间的等效电阻(馈入电阻)R_DC等于“塞环”和负电源电压V_BB的电源端之间的等效电阻，线路电流I_L可由下式表示：

I_L＝V_BB/(R_L+2R_DC)                    (22)通过式(21)和(22)，等效电阻(馈入电阻)R_DC可由下式表示：

R_DC＝{(K1K2K3+2)/K1K2K3}R_F           (23)由式(23)明显可见，可以通过改变K1、K2和K3的值而任意选取等效电阻(馈入电阻)R_DC的阻值。

可变衰减器ATT具有箝位功能。通过箝位功能，当输入电压即相加电压高于第三参考电压V_REF3时，输出电压即衰减电压V_ATT被箝位在第三参考电压V_REF3。

参照图3，假设衰减电压V_ATT被箝位在第三参考电压V_REF3。由式(16)，这种情况会发生在以下不等式成立时，

-K1K2V2+V_REF2＞V_REF3                        (24)在这种条件下，可以认为从反相端返回到同相端的反馈路径和平衡放大器A1分离。而且衰减电压V_ATT变为等于第三参考电压V_REF3。相减电压V_SUB可由下式表示：

V_SUB＝V_REF3-V_REF2                           (25)这样，上述式(19)由下式代替：

V_BB-2V₂＝V_BB-2V1+K3(V_REF3-V_REF2)  (26)

通过式(18)和(26)，线路电流I_L可由下式表示，

I_L＝K3(V_REF3-V_REF2)/2R_F              (27)

由式(27)明显可见，线路电流I_L变得和线路电阻R_L无关。换句话说，可以通过改变第三参考电压V_REF3和使第三参考电压取固定值而获得所要求的恒流特性。结果，整个馈入电流特性变得和图2所示的特性等效。也就是说，当线路电阻R_L小于某一特定值R_L1时，线路电流I_L变为恒定值。尽管平衡放大器A1工作在负48伏电源系统下，可变衰减器ATT，低通滤波器LPF等是工作在相同的正5伏电源系统下的，这意味着用户线接口电路可以通过具有低耐压特性的电路元件形成，除了平衡放大器A1以外。

参照图5，根据本发明的用户线接口电路将被更为详细地说明。用户线接口电路包括由相同参考标号标明的相同部分。

图5中，图3所示的电平移动电路LS和加法器ADD由第七和第八电阻7和8、第一运算放大器OP1以及提供第四参考电压V_REF4的直流电压源来实现。第七电阻7有一端连接到平衡放大器A1的反相输出端。第一运算放大器OP1具有第一反相输入端和第一同相输入端以及第一输出端。第一反相输入端和第七电阻7的另一端相连。第八电阻8连接在第一反相输入端和第一输出端之间。第一同相输入端输入有第四参考电压V_REF4。第七和第八电阻7和8分别具有阻值R7和R8。

图3所示的减法器SUB包括第九到第十二电阻9、10、11和12以及第二运算放大器OP2。第九电阻9有一端连接到可变衰减器ATT上。第二运算放大器OP2具有第二反相输入端和第二同相输入端以及第二输出端。第二同相输入端和第九电阻9的另一端相连。第十电阻10有一端和第二同相输入端相连而另一端接地。第十一电阻11有一端和第二参考电压连接而另一端和第二反相输入端相连。第十二电阻12连接在第二反相输入端和第二输出端之间。第二反相输入端通过第十一电阻11接通第二参考电压V_REF2。第九到第十二电阻9到12分别具有阻值R9、R10、R11和R12。

第二运算放大器OP1具有结合图3所述的电平移动功能和加法功能。第一运算放大器OP1要求具有的运算性能是获得如式(15)所示的等于(-K1V2+V_REF2)的输出电压。要获得这种运算性能，可通过使得阻值R7和R8以及第四参考电压V_REF4满足下式，

V_OP1＝V_REF4-R8(V2-V_REF4)/R7

    ＝-K1V2+V_REF2                      (28)

换句话说，这可以通过使得阻值R7和R8以及第四参考电压V_REF4满足下式来实现，

V_REF4＝V_REF2{R7/(R7+R8)}               (29)

K1＝R8/R7                                  (30)

接下来，第二运算放大器OP2要求具有的运算性能是实现从衰减电压V_ATT中减去第二参考电压V_REF2的减法操作。这一减法操作可以通过利用第二运算放大器OP2和第九到第十二电阻R9到R12形成差分放大器来实现。在R9＝R10＝R11＝R12的条件下，第二运算放大器OP2的输出电压V_OP2等于(V_ATT-V_REF2)。这样，就得到所需要的运算性能。

根据本发明，用户线接口电路可以由低耐压和低成本的CMOS电路来实现，因为电平移动运算是由电平移动电路完成的。它适合于通过使用CPU的软件控制方法来改变馈入电阻、恒流值常数等，因为电路元件是由低耐压的CMOS电路实现的。由于电平移动电路中施加了偏置电压，即使用户线接口电路由单电源供电工作交流信号也不会被箝位。另外，用户线接口电路以低功耗工作。

尽管到目前为止结合其优选实施方案叙述了本发明，但本领域技术熟练人员也可能轻易地以其他各种方式实现本发明。例如，可变衰减器可以由以下结构实现，即把若干串联的电阻连接在输入端和第二参考电压V_REF2之间。在这种情况下，这些电阻具有若干电压分压点。可以通过模拟开关等选取这些分压点中的一个。

Claims (5)

1.一种用户线接口电路，包括：

平衡放大器，具有一对差动输出端和一对输入端，它们通过若干电阻连接到二线制线路的第一和第二端，以产生用于电源控制的检测电压；

电平移动装置，用来使检测电压的电平移动到预设电源的预设移动电压；

加法器，用来把预设的偏置电压加到预设移动电压上，以产生相加电压；

可变衰减器，用来使相加电压箝位在预设的箝位电压上；

减法器，用来从预设的箝位电压中减去预设的偏置电压，以产生相减电压；

低通滤波器，用来对相减电压进行滤波，以产生滤波电压；以及

电压-电流转换电路，用来把滤波电压转换成转换电流，以输出转换电流到所述一对输入端。

2.根据权利要求1的一种用户线接口电路，连接到二线制线路，其中所述平衡放大器，具有反相和同相输入端以及反相和同相输出端，用来放大加在反相和同相输入端之间的输入电压，以产生反相和同相输出，该输出由基于第一参考电压幅度相同而极性不同的反相和同相电压来确定；

第一电阻，连接在二线制线路的一端和反相输入端之间；

第二电阻，连接在二线制线路的另一端和同相输入端之间；

第三电阻，连接在反相输入端和同相输出端之间；

第四电阻，连接在同相输入端和反相输出端之间；

第五电阻，连接在二线制线路的一端和反相输出端之间；以及

第六电阻，连接在二线制线路另一端和同相输出端之间，并且

所述电平移动装置是一个电平移动电路，具有衰减功能，用来移动反相电压到正的单电源预设的电压范围中，以产生电平移动电压；

所述加法器，连接到电平移动电路上，用来把电平移动电压加在第二参考电压上，以产生相加电压；

所述可变衰减器，连接到加法器上，用来在第二参考电压基础上以预设的系数对相加电压进行衰减，以产生衰减电压；

所述减法器，连接到可变衰减器上，用来从衰减电压中减去第二参考电压，以产生相减电压；

所述低通滤波器，连接到减法器上，用来对相减电压进行滤波，以产生滤波电压；以及

所述电压-电流转换电路，连接到低通滤波器上，用来把滤波电压转换成转换电流，并输出转换电流到反相输入端。

3.根据权利要求2的用户线接口电路，其特征在于，所述可变衰减器具有箝位功能，当相加电压超过第三参考电压时，用来使相加电压箝位在第三参考电压。

4.根据权利要求2的用户线接口电路，其特征在于，所述电平移动电路和加法器由以下部分实现：

第七电阻，有一端连接到反相输出端上；

第一运算放大器，具有第一反相输入端和第一同相输入端以及第一输出端，其第一输出端与第七电阻的另一端相连；

第八电阻，连接在第一反相输入端和第一输出端之间；以及

直流电压源，连接到第一同相输入端上，以提供第四参考电压。

5.根据权利要求2的用户线接口电路，其特征在于，所述减法器包括：

第九电阻，有一端连接到可变衰减器的输出上；

第二运算放大器，具有第二反相输入端和第二同相输入端以及第二输出端，其第二同相输入端连接到第九电阻的另一端上；

第十电阻，有一端连接到第二同相输入端而另一端接地；

第十一电阻，有一端接到第二参考电压而另一端连接到第二反相输入端上；以及

第十二电阻，连接在第二反相输入端和第二输出端之间。

Images