CN1200856A - 电话隔离装置 - Google Patents

Abstract

一种用作为电话线接口的隔离电路包括至少一对电容器(54,56),经过一隔离壁垒差动地耦合全双工通信中的模拟发送(TX)和接收(RX)信道。该两电容器经过隔离壁垒被连接,且各发送或接收信号被处理以生成相应的成对互补信号。另一方面,本发明可被构成使用两对电容器(31,33),经过一隔离壁垒将用户装置(21)中的模拟发送(TX)和接收(RX)信道差动地耦合至一话线对(23),用于在该话线对(23)上进行全双工通信。

Description

电话隔离装置

本发明一般地涉及电子电路，更具体地涉及诸如用于电话线接口设备中的隔离电路。

将终端用户的电话设备与电话网络隔离开来是美国联邦通信委员会和其它国家的相应管理机构所要求的。这一规定的主要目的是保护网络免受不合格终端用户装置的损害，并避免与电源线等意外地连接。

关于这种隔离的具体规定各个国家各有不同。美国要求1000VRMS隔离，而其它国家会要求3500到4000伏的隔离。这些规定通常依电源线主电压和国内安全需要而定。在直接存取装置或DAA领域的专业人员的普通知识已表明存在有在终端用户设备和网络之间不采用隔离变压器的其它技术。最近一些人已认识到可以使用其它技术来隔离某些路径。例如，授于Ramsey等的美国专利No.4,864,605说明可以在主信号路径中使用耦合变压器，可以在振铃检测和摘机驱动电路中使用光学隔离器。以类似方式，授予Pierce的美国专利No.4,417,099披露了可以在线供电调制解调器的数据路径的数字部分中使用光学隔离器。还有，授予Falater等的美国专利4,757,628披露了一种与RF电容性耦合机构相结合的电热隔离器耦合器。该系统声明提供一DAA装置，但要求有一具有用户部分和相互电隔离的话线部分的衬底。

还有，授予Wilkison等的美国专利NO5,245,654披露一种光学隔离耦合器电路，其特征在于宽带宽，低噪声及高度线性。此电路由于需要为线性提供必要的反馈而带有紧密耦合的光学装置，因而较为昂贵。

本发明消除了对热、阻抗和光学隔离的要求。热和光学隔离要求复杂的电路，因而生产很昂贵。采用热转换低频信号的集成电路能由生产起来具有更好的成本效益的其它装置来代替。电容性方法通过使用少量外部元件而会得到更集成化的设计。

本发明提供一种隔离电路，它不采用耦合变压器、光学隔离器元件及高值电阻，仍适合用作电话线接口。

一方面，本发明使用一对电容器，与穿过隔离壁垒以全双工方式通信中的模拟发送和接收信道差分耦合。这些电容器穿过隔离壁垒相连接，并处理每个发送或接收信号以产生相应成对的互补信号。位于隔离壁垒一侧的转接网络由时钟驱动，以便用成对互补信号以增量的形式对成对电容器差分充电。在壁垒的另一侧，由时钟驱动的转接网络接收成对电容器上的差分电荷，生成成对的互补信号，这些信号被处理以形成单个模拟信息信号。时钟信号和摘机及振铃信号也以类似方式穿过壁垒被发送。

在另一方面，本发明也可配置为采用两对电容器，将用户装置上的模拟发送和接收信道穿过隔离壁垒差分耦合至电话线对，以用于在话线侧进行全双工通信。还包括有混合电路的接口电路包括第一和第二相对定向的电容器隔离电路。第一个放置在发送信道和混合电话之间；第二个在接收信道和混合电路之间连接。

更具体地，发送电容器隔离电路具有位于隔离壁垒的用户装置侧上的输入端和位于隔断壁垒的话线侧上的输出端，并且其在输出端产生的模拟信号与其输入端的模拟信号相对应。接收电容器隔离电路具有位于隔离壁垒的话线侧的输入端和隔离壁垒的用户侧上的输出端，并且其在输出端产生的模拟信号与其输入端的模拟信号相对应。

图1表示本发明的在用户装置和电话网络之间互连的电话接口的功能方框图。

图2是以独立发送和接收电路为特征的本发明的电话接口的一实施例的功能方框图。

图3是本发明的电话接口的另一实施例的功能方框图，其以组合的全双工发送和接收电路为特征。

图4是在本发明的电话接口用户侧的发送电路的详细示意图。

图5是在本发明的电话接口用户侧的接收电路和振铃信号解释电路的详细示意图。

图6是在电话接口的用户侧的转接时钟发生器、相位控制和摘机控制电路的详细示意图。

图7是本发明的电话接口的话线接口上的发送电路的详细示意图。

图8是本发明的电话接口的话线接口上的接收电路的详细示意图。

图9是本发明的接口话线侧上话线接口和电压发生器电路的详细示意图。

图10是本发明的接口话线侧上转接时钟电路的详细示意图。

图11是本发明的接口话线侧上振铃接口电路的详细示意图。

图12是本发明的接口话线侧上振铃检测和话线耦合器电路的详细示意图。

图13是本发明的接口用户侧上参考电压发生器电路的详细示意图。

图14a和14b是描述本发明的差分电容器充电和检测电路的操作的简化示意图。

图15是描述本发明的差分电容器充电和检测电路的共模噪声特征的简化示意图。

图16a和16b是图15中描述的电路的共模噪声信号的图形说明。

本发明提供一种电话隔离电路22，如图1所示，用来将用户装置21与电话线电路23相连接，可以表示为RJ-11连接器。电话隔离电路22被称之为直接存取装置(或者数据存取线路)或DAA，它不采用耦合变压器、光学隔离器元件及高值电阻，而在用户装置21和话线电路23之间提供最佳的通信路径和隔离。

参照图2，本发明的DAA22通常包括一用户侧，用户侧具有从用户装置接收通信信号的发送耦合装置26，传送通信信号给用户装置的接收耦合装置27，振铃检测器28，振荡器和时钟驱动器29及摘机驱动器30。DAA22的突出特点是使用电容性耦合，以便将用户装置与话线电路电隔离。因此，发送电容性隔离电路31连接发送耦合装置26到发送话线耦合装置32上，而接收电容性隔离装置33连接接收耦合装置27到接收话线耦合装置34上。同样，时钟电容性隔离装置36连接振荡器和时钟驱动器29到振荡检测器37上，而摘机电容性隔离装置连接摘机驱动器30到摘机检测器39上。隔离装置31、33、36和38穿过用户-话线接口发送它们的相应信号，以允许标准的电话操作，同时在用户装置和电话线之间提供高水平的电隔离。

发送话线耦合装置32和接收话线耦合装置34与混合电路41连接，混合电路41又经话线接口电路42和中继及检测器电路43与电话线连接。振荡器检测器37与接收话线耦合装置34及发送电路32连接。摘机检测器39直接与话线转接及检测器电路43连接。振铃指示器振荡器和驱动器44在接收电容隔断装置33和话线转接及检测器电路43之间连接。一般地讲，这些装置和电路32、34、37、39和41-44认为是在DAA22的电话线侧上。

电路结构可以简化，见图3所示，其中相似元件用相同参考数字和撇号(’)来标记。在图3的实施例中，时钟驱动器电路和摘机驱动器装置经相同时钟电容隔离装置36’连接，使用时分复用技术经单个电容隔离装置31’来实施发送和接收功能。这种简化允许取消部件30、33、38和39，同时也节省部件和劳动力成本。

参照图4，发送耦合装置26包括输入缓冲电路51。缓冲器51从用户装置差动地接收TXA+和TXA-信号，而缓冲器51将输入信号转换为单端信号，以便由差动转换器信号驱动器52来使用。(TXA-信号对于单端输入装置接地，而不会影响此处说明的电路的操作)。来自驱动器52的差分信号供给发送转接网络53，它对发送电容隔离装置31的电容器54和56充电，下面会解释。在隔离接口的话线侧，发送话线耦合装置32包括一发射器信号恢复转换网络57，如图7所示。网络57由结构与用户侧电容器输入网络53类似的四线开关电路组成，并由共同的时钟信号来同步。两个网络53和57协同操作，以便以重复过程转换穿过接口壁垒的信息信号。下面的说明不仅牵涉网络53和57，而且涉及此处说明用来穿过隔离壁垒发送信号的所有差分网络电路。

参照图14，依据时钟信号是高还是低，两个差分转接网络可以假设是两种不同配置。如图14a所示，当时钟信号为高时，正的差分信号V+传送到电容器Ca上，对Ca充电，并使该信号直接传送到运算放大器A，结果得到Va。同样地，差分信号V-穿过电容器Cb到运算放大器B，结果得到信号Vb。当时钟信号变为低时，四线开关在电容器两侧翻转，结果得到图14b的电路结构。信号V+对电容器Cb充电，而信号V-对电容器Ca充电。来自Cb的信号进入运算放大器A，而来自电容器CA的信号进入运算放大器B。因此，尽管电容顺Ca和Cb上的电荷已经保留，信号V+送到运算放大器A而信号V-送到运算放大器B，这样Va仍保留V+的功能，Vb仍保留V-的功能。这一过程与时钟信号同步地重复，发送信号穿过隔离壁垒。

使用这种以相反方式转换电容器极性的技术，电话音频信号频率能够穿过小值电容器，并仍能转换80％的Va和Vb信号值。

这一信号传送技术显著地减小了共模噪声。图15给出了用于共模噪声Vn的等效电路，假定电容比Ca/Cb小于分压器的电阻比，则在高时钟状态，Va＝+1/2Vn及Vb＝-1/2Vn，而在低时钟状态Va＝-1/2Vn及Vb＝+1/2Vn。如果Vn信号输入如图16a所述，则相应信号输出如图16b所述。通过使用该信号发送技术，共模噪声已从音频转换为时钟频率，并由具有上角截断10KHZ到15KHZ的低通滤波器消除。

回到图7，两个运算放大器58和59用作缓冲器61，以恢复这些差分信号，并将它们恢复到适当电平。缓存的差分信号被送到运算放大器转换器电路62，此电路将差分信号恢复到单端信号。根据各种调制解调器集成电路的需要，可选择改变电阻器63和63A的值，以改变发送路径的增益。单端信号被馈送过具有15KHZ的上角频率的反假频低通滤波器64，以去掉残留效应和由转接网络产生的噪声，以及共模噪声。最终输出是TXAL信号，这是一种与用户生成的信息信号相当的、平滑的、滤波后的增益控制模拟信号。

参照图9，连接TXAL信号，以驱动低失真发送器信号电流驱动器71，依次又被输送到图2和3的混合电路41或41’。混合电路由一运算放大器和返回信号消除电路72组成，所连接的运算放大器用作接收路径放大器73，其产生的电压等于话线侧输出和输入的电流之叠加，返回信号消除电路72去掉输出信号的选定部分。对于声音通信，允许少量输出信号穿过接收信道，产生一种侧音效应。因此发话人听到他/她自己声音的一小部分，由此可以进行连接。对调制解调器的使用以及其它，电路72几乎可以完全消除到用户装置的输出信号，消除侧音的程度由电话线和电阻74之间阻抗匹配的精度来决定。

电阻器74和电容器79在L+和L-(公共)之间串连，而输出VL输出到电源超稳定电压基准81。电阻74产生与话线上流动的电流成正比的电压，而电容器79旁路话线上的交流信号。电路76包括一产生电压V1(+3V)的正电压调节器，它也为电流基准生成器77提供一稳定的驱动电压，电流基准生成器77产生一电流I1。稳定电流I1输送到直流电阻控制电路78，用来根据EIA/TIA和Bell说明书中确定的规则设置DAA的直流电阻梯度。电路75从V1输入产生稳定的-3V直流，给此处说明的话线侧上的多个运算放大器电路供电。这种独特的控制电路提供交流终止，允许在不干扰适当的直流终止的情况下为话线侧的装置引出电流，提供低失真传送信号生成机构，并把来自话线的电流转换为双电压供给。

电路72还产生接收话线信号RCVL，此信号被馈送过差分信号处理器100(图8)，以将单端RCVL信号转换为互补差分信号。这些信号输送到由互补时钟信号CKL和CKL\驱动的计时的转接线路90，由此对电路33的隔离电容器差动充电。这一网络的工作在上述说明中，已参照图14进行了说明。

参照图12，话线接口42和话线开关及检测器电路43(图3之中)包括一固态摘机话线开关82，它由一对并联晶体管组成，以便开启和关闭从电话线到L+输出的电流路径。摘机开关驱动器84由摘机时钟接收器和充电泵电路85控制，该电路连接到图2的装置36中的摘机隔离电容器的话线侧。次级晶体管83与摘机开关驱动器84一起被使用，以确保仅仅有漏电流流动，直到穿过电容器85A的能量足够正向偏置摘机开关驱动器84的达林顿对。桥式整流器86连接在TIP连接和摘机话线开关之间，由肖特基二极管或其它类似的晶体管构成，以调整TIP信号的正负极。

参照图6，当用户装置通过低电平状态接通OFFHK\话线，由此向DAA发出信号以挂断时，晶体管87被正向偏置并导通。方波发生器88连续工作，产生固定频率(例如600KHZ)，输送到二分计数器89以得到50％占空信号。激活晶体管87，使得计数器89开始工作，将方波(300KHZ)传送到差分摘机时钟驱动器91。时钟驱动器91将信号OHCAP和OH\CAP供给电路38(图2)中电容器的用户侧。

回到图12，桥式整流器92与振铃信号交流耦合电容93连接，以便形成大于齐纳二极管94的阈值的直流电平。当来自电话线的振铃信号达到大约在30伏峰值之上的峰值时，它们提高了穿过电阻-齐纳二极管并联网络的直流电平。这一电压达到大约不大于5.1伏的电平，并包括RIG信号，该信号被用来给图11的转接网络97和振铃振荡器供电。转接网络97将振铃振荡器信号送到装置33(图2)的接收隔离电容器的话线侧。将振铃振荡器98(图11)设置为在大约300KHZ下工作，并输送给差分驱动器电路99。锁定电路101防止产生振铃信号信息，除非DAA是摘机的。当DAA为摘机时，电路101的晶体管连通，避免RIG信号激活电路97的开关。

在装置33的用户侧，被差动转换的网络102(图5)接收来自装置33的隔断电容的信号，并通过前述时钟信号来与它们同步。收到的信号以差分模拟形式被恢复，并送到输入信号缓冲器103中。暂存的信号输送到转换器电路104，此电路将差分模拟信号转换为单端信号。电路104中运算放大器的输出设置了接收侧的增益。可以调整电路105的值，以适应不同的调制解调器芯片。

输送到单端转换器104的差分信号输出提供了两种不同应用的输入。其一是接收器部分，它在DAA为摘机时是有效的。来自转换器104的信号送到反假频低通滤波器电路106中。滤波器角频率为大约15KHz，以消除电话线上的开关噪声和高频RF噪声。滤波器电路106的运算放大器在用户接口点连接处提供暂存的输出信号RCV。RCV信号包括所有连接到接口上的用户装置的模拟接收信号。缓冲器电路104的输出也通过开关107输送到振铃指示器电路108。接收的模拟信号代表振铃信号。如果DAA是挂机的且没有OFFHK\信号，运算放大器109将接通开关107，将接收的模拟信号供给振铃指示器电路108。此信号由二极管110整流，并用来对电容器111充电。电容器的电荷由运算放大器112与固定电压基准相比较，并在电荷超过基准时产生振铃信号输出RI\。将输出RI\供给用户接口的输出连接点。

实现DAA的用户侧的各部分功能所需要的一种电路是基准电压发生器113，如图13所示。电路113在用户侧提供的标准电压Vcc上工作，并为用户侧的运算放大器生成2.5V直流稳定输出。回到图6，计数器89的300KHZ方波输出也输送给差分时钟驱动器电路116，此电路产生信号CK\CAP和CKCAP，用来转换穿过隔离电容器的能量。计数器89的输出也输送到相位延迟电路117，这一电路用来匹配电路31、33、36和38的外部隔离电容器元件的延迟。相位延迟电路117为两个相位时钟电路118产生正确定时后的时钟信号，相位时钟电路118进而将时钟信号对CK和CK\供给所有用户侧耦合装置。

DAA的话线侧的各个部分所需要的另一电路是图10中说明的时钟系统。经电路36的电容器发送的时钟信号由缓冲电路121接收，并由方波整形电路122处理。电路122的输出是时钟信号CKL\和CKL，它们用来驱动位于电话线侧上图7中的转接网络。因此，在用户侧产生的时钟信号穿过接口发送，以便与在话线侧的信号解码同步。

此处说明的电路可以由是分离元件的装置构成，或是使用传统ASIC技术形成的集成电路的一部分。

出于说明和描述的目的，提出了本发明的上述最优选实施例的说明。但其目的并非要穷尽或将本发明限制于所披露的具体形式，并且不偏离本发明的精神和范围根据上述内容完全可以作出许多修改和变化。选择上述实施例以便最好地解释本发明的原理及其它应用，由此使得本领域的其它技术人员能够用适合于所希望的特定目的的各种实施例和多种修改来最好地利用本发明。应当注意本发明的范围由所附权利要求书来确定。

Claims (20)

1、一种隔离电路，用来将用户装置连接到通信线对上，以便在该线对上进行全双工通信，同时在此隔离电路的用户侧和话线侧之间提供一电子隔离壁垒，该隔离电路包括：

穿过所述电子隔离壁垒而连接的第一对电容器，所述电容器的每一个都具有相同的第一端和相同的第二端，该第一端与所述隔离电路的所述一侧相连，而该第二端与所述隔离电路的另一侧相连；及

用来从所述一侧到所述另一侧穿过所述电容器发送信息信号的装置，包括用所述信息信号对所述电容器对的所述相同的第一端差分充电的装置，用来接收所述电容器对的所述相同的第二端上的差分电荷的装置，及用来将所述第二端上的所述差分电荷转换为还原的信息信号的装置。

2、如权利要求1的隔离电路，其中用来差分充电的所述装置包括有差分变换电路装置，用来接收所述信息信号，并产生与所述信息信号相对应的成对互补差分信号。

3、如权利要求2的隔离电路，其中所述用来差分充电的装置包括转接发送网络装置，用来交替增加地将所述成对互补差分信号转接到所述电容器对的所述第一端上。

4、如权利要求3的隔离电路，还包括第一时钟信号装置，用来生成时钟信号以驱动所述转接发送网络装置，使其重复且循环地工作。

5、如权利要求4的隔离电路，其中所述用来接收所述差分电荷的装置包括转接接收网络装置，用来交替增加地转换来自所述电容器的所述第二端的电荷电平，以便形成成对互补接收差分信号。

6、如权利要求5的隔离电路，其中所述用来接收所述差分电荷的装置包括差分解码器电路装置，用来接收所述成对互补接收的差分信号，并生成相应的接收的信息信号。

7、如权利要求5的隔离电路，还包括第二时钟信号装置，用来生成时钟信号以驱动所述转接接收网络装置，使其重复且循环地工作。

8、如权利要求7的隔离电路，还包括用来同步所述第一和第二时钟信号装置的装置。

9、如权利要求8的隔离电路，其中所述用来同步的装置包括用来穿过所述隔离壁垒发送时钟信号，以连接所述第一和第二时钟信号装置的装置。

10、如权利要求9的隔离电路，其中所述用来发送时钟信号的装置包括穿过所述电子隔离壁垒而连接的第二对电容器，所述第二电容器的每一个都有相同的第一端和相同的第二端，该第一端与所述隔离电路的所述一侧相连，该第二端与所述隔离电路的另一侧相连。

11、如权利要求10的隔离电路，还包括连接在所述第一和第二时钟信号装置之间的相移装置，以补偿由所述第二对电容器引起的相移。

12、如权利要求6的隔离电路，还包括电压恢复装置，用来接收由所述话线对提供的电流，并生成一工作电压，以驱动所述隔离壁垒的所述话线侧上的电路。

13、如权利要求12的隔离电路，其中所述电压恢复装置包括与由所述话线对提供的所述电流连接，并具有高交流阻抗和可调直流电阻的电路。

14、如权利要求12的隔离电路，还包括稳定电压基准装置，用来接收所述工作电压，并为所述隔离壁垒的所述话线侧上的电路生成高稳定电压基准。

15、如权利要求1的隔离电路，还包括穿过所述电子隔离壁垒而连接的另一对电容器，及用来从所述隔离壁垒的所述用户侧到所述话线侧发送摘机信号的装置。

16、如权利要求15的隔离电路，还包括用来从所述隔离壁垒的所述话线侧到所述用户侧穿过所述另一对电容器发送振铃信号的装置。

17、一种用来穿过电话线对和用户装置之间的电子隔离壁垒发送信息信号的方法，包括下列步骤：

穿过所述隔离壁垒连接一对电容器：

用所述隔离壁垒一侧上的信息信号对所述电容器对差分充电；

对所述隔离壁垒的另一侧的所述电容器对上的差分电荷进行检测；及

将所述电容器对上检测的差分电荷转换为与所述信息信号相对应的接收信号。

18、如权利要求17的穿过电子隔离壁垒发送信息信号的方法，还包括将所述信息信号转接为成对互补差分信号，以便对所述电容器充电的步骤。

19、如权利要求18的穿过电子隔离壁垒发送信息信号的方法，还包括与固定时钟信号同步以反复的方式对所述电容器进行增加且可逆地充电的步骤。

20、一种隔离电路，用来将用户装置连接到通信线对上，以便在该线对上进行全双工通信，同时在此隔离电路用户侧和话线侧之间提供一电子壁垒，该隔断电路包括：

穿过所述电子隔离壁垒而连接的电容器对；及

用来将信息信号交替地同步转接到所述电容器对的每一个，以便对所述电容器差分充电并穿过所述隔离壁垒发送所述信息信号。由此消除共模噪声的装置。

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