CN1474575A - 程控交换机用户线接口方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种涉及电话通信的程控交换机用户线接口方法和电路，其特征在于：通过芯片内部电路和芯片外围电路及器件将外部高压信号与芯片低压信号进行分离，采用外围的隔直电容隔离外部高压直流信号，同时通过隔直电容与芯片内部电路交流耦合，芯片内部发出的信号通过外围的三极管放大电路，对环路提供电压反馈，VRX信号通过三极管以交流馈电电流方式输出，PNP三极管基极接低电压，保证三极管对弱信号的驱动响应，本发明通过芯片内部电路和芯片外围电路及器件将外部高压信号与芯片低压信号进行分离，利用简单的外围元件承担高压部分电路，不仅降低了芯片生产成本，提高了生产工艺选取的灵活性，而且为进一步集成更多的新功能带来了方便。

Description

程控交换机用户线接口方法和电路

技术领域

本发明涉及电话通信，尤其涉及一种程控交换机用户线接口方法和电路。

背景技术

由于用户线上的馈电电压超过40V，所以用于提供用户线馈电功能的用户线接口电路芯片一般都只有采用高压工艺实现。由于高压工艺属于特殊工艺，不仅价格较高，而且能提供服务的芯片生产厂家相对较少，对用户线接口电路芯片的设计带来较大限制。本专利提出了一种高压信号与低压信号分离的方案，从而达到用普通半导体工艺实现用户线接口电路芯片的目的。

用户电路的基本体系结构如图1所示：

各信号线为：

TIP：塞尖，和塞环RING构成由交换机到用户话机的两根线。

RING：塞环，和塞尖TIP构成由交换机到用户话机的两根线，直流馈电以及语音信号的双向传输通过这两根线进行。

VTX：4线发送模拟信号线，语音由VTX经ADC(Analog to DigitalConverter)后再A/u律编码，送到数字交换网络。

VRX：4线接收模拟信号线，A/u律PCM信号经解码后，经DAC(Digitalto Analog Converter)变成模拟信号，送到SLIC。

用户电话线经过过流过压的保护器件进入到用户线接口电路，由用户线接口电路完成必要的2/4线转换后，送到语音编解码芯片进行AD、DA转换以及A/u律的编解码，最后到数字的PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)通道。

保护器件、用户线接口电路，语音编解码芯片以及其他的辅助器件共同完成众所周知的BORSCHT这七个功能：

B：Battery Feeding直流馈电；

O：Overvoltage Protecting Overcurrent Protecting过压过流保护；

R：Ring振铃；

S：Supervise检测环路状态；

C：Codec编解码；

H：Hybrid balance混合平衡；

T：Testing测试；

用户线接口电路也简称为SLIC(Subscriber Line InterfaceCircuit)，语音编解码芯片也简称为CODEC(COding Decoding)。

随着程控交换机的普及应用，新型的用户线接口电路的解决方案也不断涌现，早期的用户线接口电路，是用变压器进行交直流隔离的厚膜电路，功能较简单，体积大，一些传输指标也比较临界。国外的用户线接口电路已经发展到了IC阶段，并且一般都完成了相对复杂的功能。但由于用户线接口信号是高压信号，所以一般都是用特殊的高压半导体工艺来实现用户线接口电路芯片，例如ST公司的BCD工艺实现的ST3055、Infineon公司的SPT工艺实现的MuSLIC，DuSLIC等套片。这些工艺为了达到耐高压的目的，在生产过程中采用了一些与普通工艺不同的手段，因而造成成本较高，难以满足国内市场对成本的苛刻要求。

随着语音编解码芯片技术的发展，内置DSP的CODEC芯片功能越来越强，可以配合SLIC完成原本必须在用户线接口电路中完成的阻抗和回波抵销的功能。

现有技术存在如下的缺点：

1.现有的IC方案需要使用特殊的高压半导体工艺进行实现，价格较高，且生产厂家的选取上具有较大局限。

2.采用普通半导体工艺实现的CODEC芯片功能越来越强，但由于SLIC芯片需要使用特殊的高压工艺，造成两者无法集成到一起。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低且性能好的程控交换机用户线接口方法和电路。

本发明所采用的技术方案为：这种程控交换机用户线接口方法，其特征在于：

A、对于经过语音编解码芯片处理的信号接收，通过芯片内部电路和芯片外围电路及器件将外部高压信号与芯片低压信号进行分离，完成信号的4线到2线的转换；

B、对外经过保护电路处理的用户线信号，采用外围的隔直电容隔离外部高压直流信号，同时通过隔直电容与芯片内部电路交流耦合，完成信号的2线到4线的转换；

所述的外围电路是三极管放大电路，芯片内部发出的信号通过外围的三极管放大电路，对环路提供电压反馈，VRX信号通过三极管以交流馈电电流方式输出，其中PNP三极管Q1基极接低电压，保证三极管对弱信号的驱动响应；

所述的芯片内部提供工作馈电电流ISS1至外围的PNP三极管Q1发射极，三极管Q1集电极通至TIP，三极管Q1基极接0伏电压，VRX信号以交流馈电电流方式作用于三极管Q1发射极；

所述的三极管电路包括三极管Q2、Q3，三极管Q2、Q3以二级放大形式直接相连，共模控制电路CMCC控制三极管Q2，PNP三极管Q2基极接0伏电压，三极管Q3集电极通至RING。

这种实现上述用户线接口方法的程控交换机用户线接口电路，包括接收运算放大器，其正端和负端分别连接电阻R1、R3且分别透过外部的隔直电容C1、C2与TIP、RING相连，其特征在于：

所述的接收运算放大器正端连接电阻R2，且接入内部参考电压V_ref，其负端与输出端之间通过电阻R4相连；共模控制电路CMCC连接两个采样电阻RT、RR分别对TIP、RING进行采样，两个采样电阻外端连接一大阻值电阻RL；该共模控制电路CMCC输出端连接一个由PNP三极管Q2和NPN三极管Q3以二级放大直接相连的三极管放大电路，该放大电路输入三极管Q2发射极与共模控制电路CMCC输出端相连，输出三极管Q3集电极与RING相连；电压-电流转换电路与工作馈电电流ISS1共同连至外部的PNP三极管Q1，三极管Q1基极接0伏电压，集电极连至TIP；

所述的输入三极管Q2基极接0伏电压；

所述的电压-电流转换电路包括一运算放大器，该运算放大器负端通过电阻R6连接VRX信号，其正端连接内部参考电压V_ref，其输出端连接PMOS管M1，PMOS管M1发射极与运算放大器负端相通，且与内部直流馈电电流ISS1相通，PMOS管M1集电极连接外部三极管Q1；

所述的电压-电流转换电路中的运算放大器负端通过电阻R5与接收运算放大器输出端相连；

所述的共模控制电路CMCC包括两个共模运算放大器，其负端分别连至TIP、RING，共模运算放大器的输出端分别通过电流镜像CurrentMirror后进行叠加，并通过电阻R7转换成电压Va加载于一比较器正端，该比较器输出端连接PMOS管M2，PMOS管M2发射极加一内部电压VDD，PMOS管M2集电极与PNP三极管Q2发射极相连，该共模控制电路CMCC中的两个共模运算放大器的正端及比较器的负端分别接入内部参考电压V_ref；

所述的共模控制电路CMCC中，连接TIP的共模运算放大器引出另一电流镜像Current Mirror至一比较器负端，通过电阻R8转换成电压，该比较器正端内部参考电压V_ref，其输出端连接控制管M3，控制管M3工作电流和工作馈电电流ISS1由内部固定电流源Ibias提供。

本发明的有益效果为：在本发明中，采用外围的隔直电容隔离外部高压直流信号，同时通过隔直电容与芯片内部电路交流耦合，芯片内部发出的信号通过外围的三极管放大电路，对环路提供电压反馈，VRX信号通过三极管以交流馈电电流方式输出，PNP三极管基极接低电压，保证三极管对弱信号的驱动响应，这样，通过芯片内部电路和芯片外围电路及器件将外部高压信号与芯片低压信号进行分离，利用简单的外围元件，如分立的三极管、电阻来承担高压部分电路，从而达到能用普通的半导体工艺来实现SLIC功能的目的，不仅降低了芯片生产成本，提高了生产工艺选取的灵活性，而且为进一步集成更多的新功能带来了方便；在电路设计中，在TIP、RING之间连接电阻，使本发明得以支持挂机传输的功能，通过共模控制电路CMCC控制三极管电路的电流，维持馈电环路的工作，并且稳定TIP和RING的电压之和，并对电压-电流转换电路提供反馈接入，使本发明工作稳定、可靠；共模控制电路CMCC中连接TIP的共模运算放大器引出另一电流镜像(Current Mirror)至一比较器负端，通过电阻R8转换成电压，该比较器正端内部参考电压V_ref其输出端连接控制管M3，控制管M3工作电流和工作馈电电流ISS1由内部固定电流源Ibias提供，这样，当环路电阻较小时，TIP电压较低，使R8上产生的压降就较大，比较器的输出就为低电平，使控制管M3上没有电流，内部工作馈电电流ISS1的电流就等于Ibias的电流，反过来，当环路电阻较大时，TIP电压较高，比较器输出电压升高，使控制管M3导通，控制管M3的电流会抵消部分Ibias的电流，从而降低内部工作馈电电流ISS1的电流大小，实际上，对工作馈电电流ISS1产生了一个稳流的负反馈作用，实现长环路时的自动限压，进一步使本发明工作稳定，提高本发明的实用性。

附图说明

图1为用户电路的基本体系结构图；

图2为2线到4线的信号传输原理图；

图3为4线到2线的信号传输原理图；

图4为电压-电流转换电路示意图；

图5为共模控制电路原理图；

图6为本发明电路原理示意图；

图7为本发明长环路自动限压原理示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

根据图2、图3、图4、图5和图6，本发明包括接收运算放大器，如图6所示，其正端和负端分别连接电阻R1、R3且分别透过外部的隔直电容C1、C2与TIP、RING相连，该接收运算放大器正端连接电阻R2，接入内部参考电压V_ref，负端与输出端通过电阻R4相连；一共模控制电路CMCC通过通过两个采样电阻RT、RR分别对TIP、RING进行采样，两个采样电阻外端连接一大阻值电阻RL，该共模控制电路CMCC输出端连接一个由PNP三极管Q2和NPN三极管Q3以二级放大直接相连的三极管放大电路，该放大电路输入三极管Q2发射极与共模控制电路CMCC输出端相连，输入三极管Q2基极接0伏电压，输出三极管Q3集电极与RING相连；VRX信号通过电压-电流转换电路与工作馈电电流ISS1共同通至外部的PNP三极管Q1，三极管Q1基极接0伏电压，集电极连至TIP。

参考图6，电压-电流转换电路包括一运算放大器，该运算放大器负端通过电阻R6连接VRX信号，其正端连接内部参考电压V_ref，其输出端连接PMOS管M1，PMOS管M1发射极与该运算放大器负端相通，且与工作馈电电流ISS1相通，PMOS管M1集电极连接外部三极管Q1，该运算放大器负端通过电阻R5与接收运算放大器输出端相连。

如图5所示，共模控制电路CMCC包括两个共模运算放大器，其负端分别连至TIP、RING，共模运算放大器的输出端分别通过电流镜像Current Mirror后进行叠加，并通过电阻R7转换成电压Va加载于一比较器正端，该比较器输出端连接PMOS管M2，PMOS管M2发射极加一内部电压VDD，PMOS管M2集电极与PNP三极管Q2发射极相连，该共模控制电路CMCC中的两个共模运算放大器的正端及比较器的负端分别接入内部参考电压V_ref。

本发明具体工作过程如下：

如图2所示，虚线左边部分为芯片外围电路outside，虚线右边为芯片内部电路inside，通过隔直电容C1、C2进行交流耦合后，TIP和RING的高压直流信号就与芯片隔离开来，由于交流信号的幅度不大，因此可以直接接入到芯片内部，一般取R1＝R3，R2＝R4(阻值大小一般可为几十千欧姆至几百千欧姆)，从中可以计算出2线到4线的传输增益为：

V_TX＝(V_TIP-V_RING)*R4/R3

这样，可以实现从2线到4线的信号传输。

如图3所示，虚线左下部分为芯片外围电路，为高电压电路，虚线右上部分为芯片内部电路，为低压电路，由于三极管Q1、Q2的基极为0V，所以保证了三极管Q1、Q2的发射极维持在0V以上就可以进行馈电控制，电阻RL是在挂机状态下提供环路直流通路的电阻，其阻值比较大，一般可为几十千欧姆，对于摘机状态下的环路电流影响很小，电阻RT、RR是用于对TIP、RING的电压信号进行采样的电阻，阻值一般可为几百千欧姆，R9用于把电流信号转换成三极管Q3的电压控制信号，阻值一般可为几千欧姆。

本发明采用电流馈电的方式，馈电电流由工作馈电电流ISS1和交流馈电电流Iac组成，工作馈电电流ISS1是馈电电流的直流成份，由芯片根据2线端环路的状态产生，Iac是馈电电流的交流成份，由来自CODEC的信号VRX通过电压-电流转换电路(V to I)得到，共模控制电路(Common-Mode Control Circuit，CMCC)通过控制三极管Q2的电流大小来控制三极管Q3的电流，以维持馈电环路的正常工作，并且能固定TIP和RING的电压之和，这样就可以把高压信号与内部芯片隔离开来，间接控制TIP/RING处的信号。

一个简单的电压-电流转换电路(V to I)如图4所示，图中Vref的大小可以等于VRX的直流电压，三极管Q1上馈电电流的直流大小等于工作馈电电流ISS1的电流大小，通过改变工作馈电电流ISS1的电流大小就可以达到控制馈电直流大小的目的，而VRX信号通过转换成电流信号后，形成了馈电电流的交流部分，并叠加到工作馈电电流ISS1上构成了总的馈电电流，因此，这个电路既实现了对直流信号的控制，也实现了从4线到2线的交流信号传输。

图4中所用的MOS管M1也可以换成三极管，也可以适用双极工艺或者BiCMOSE艺。

在共模控制电路CMCC中，如图5所示，TIP和RING的电压先通过电阻RT、RR转换成电流，再通过电流镜像Current Mirror后进行叠加，并通过电阻R7转换成电压Va，电压显然Va的大小就反映了TIP和RING端的电压之和。Va再与Vref进行比较后，决定了M2的电流大小，也就是Q2的电流大小，图5中的三个内部参考电压Vref可以接到同一个电压源，也可以根据需要分别接不同的电压，电阻RT、RR为相同阻值的外部电阻。

当TIP和RING的电压较高时，电阻RT、RR上的电流就较小，经过镜像后流入R7的电流也较小，于是电压Va就较低，使得PMOS管M2的电流较大，通过三极管Q2控制RING端的三极管Q3的电流就较大，从而降低TIP和RING的电压；反过来，当TIP和RING的电压较低时，通过共模控制电路CMCC会抬高TIP和RING的电压，当电压Va和参考电压V_ref基本相等时，电路就处于平衡状态。现假设两个电流镜像比为1∶M，此时TIP和RING的电压满足以下关系：

V_TIP+V_RING＝2*V_ref-V_ref*RT/(M*RR)

通过恰当设置电阻RT、RR、R7、M以及参考电压V_ref的值，我们就可以使等式两边都等于所需值，例如：RT＝260K，RR＝5K，M＝2，V_ref＝2V，则TIP和RING的电压之和就等于-48V。

在阻抗匹配方面：第三代CODEC内置DSP可以辅助SLIC完成阻抗匹配的功能，但是由于AD、DA以及内部的DSP延时时间较长，虽然在音频范围内可以匹配出符合要求的阻抗，但如果反馈量过多，容易发生稳定性的问题，因此，最佳的方法就是SLIC前端实现简单的实阻抗反馈，在内部实现复阻抗匹配。

对于采用本发明电路，如图6所示，有关阻抗匹配可计算如下：

假设RI＝R3，R2＝R4，可以计算由TIP、RING端看进去的交流端口阻抗。

假设TIP、RING的环路电流I_loop方向为由TIP流入，由RING流出，则可以得到以下公式： $I_{\mathrm{loop}}\left(\mathrm{AC}\right)=\frac{V_{\mathrm{TX}}}{R_5}=(V_{\mathrm{TIP}}-V_{\mathrm{RING}})\·\frac{R_2}{R_1\·R_5}$ 因而等效阻抗的大小为： $R_{\mathrm{eq}}=\frac{R_1\·R_5}{R_2}$

恰当地设置电阻R1、R2、R5的阻值，就可以得到所需要的匹配阻抗大小。例如：R1＝80K，R2＝20K，R5＝150，则匹配阻抗为600欧姆。

假设2线端的电话线和电话机的阻抗为R_2W，则4线到2线的信号传输增益可计算如下： $\frac{V_{\mathrm{TIP}}-V_{\mathrm{RING}}}{R_{2W}}=I_{\mathrm{loop}}=\frac{V_{\mathrm{RX}}}{R_6}-\frac{(V_{\mathrm{TIP}}-V_{\mathrm{RING}})\·R_2}{R_5\·R_1}$ 整理上式得： $V_{\mathrm{TIP}}-V_{\mathrm{RING}}=\frac{V_{\mathrm{RX}}}{R_6\·(\frac{1}{R_{2W}}+\frac{R_2}{R_1\·R_5})}$

例如：R1＝80K，R2＝20K，R5＝150，R6＝200，R2W＝600，则4线到2线的信号传输增益为1.5倍(3.5dB)。

在长环路高负载的情况下，如果强行馈出大电流，会导致输出管处于饱和状态，电路无法正常传送AC信号，所以在长环路时为了避免TIP、RING之间的电压过大而造成器件状态异常，需要降低工作馈电电流ISS1，本发明可对长环路动限压，即对工作馈电电流ISS1实行控制，如图7所示，显示一限流控制电路，该限流控制电路中，通过共模控制电路CMCC中连接TIP的共模运算放大器引出另一电流镜像CurrentMirror至一比较器负端，通过电阻R8转换成电压，该比较器正端内部参考电压V_ref，其输出端连接控制管M3，控制管M3工作电流和工作馈电电流ISS1由内部固定电流源Ibias提供，其中，当环路电阻较小时，TIP电压较低，使控制管M4的电流较大，在电阻R8上产生的压降就较大，比较器的输出就为低电平，使控制管M3上没有电流，工作馈电电流ISS1的电流就等于固定电流源Ibias的电流；反过来，当环路电阻较大时，TIP电压较高，比较器输出电压升高，使控制管M3导通，控制管M3的电流会抵消部分Ibias的电流，从而降低工作馈电电流ISS1的电流大小。

通过设置电阻R8的阻值，可以控制此电路起作用时的TIP端电压，图7中的两个参考电压Vref既可以相同也可以不同。例如：RT＝260K，R8＝25K，Vref＝2V，两个镜像电流的电流比之和为1∶4，则TIP的限压大小为-3.2V，由于需要降低的只是直流电流，所以在电阻R8的旁边需要并联一个外部的电容C以滤除交流成份。

图7中左边对TIP电压采样的电路与共模控制电路CWCC中对TIP电压采样的电路完全相同，所以可以共用，只需多引出一个电流镜像Current Mirror分支即可。

综上所述，本发明实现用户线的2线和CODEC的4线之间的2/4线变换；实现短环路恒流馈电，长环路进行限压的恒压馈电功能；支持挂机传输功能；内部实现一定阻值的实阻抗匹配，可方便地与CODEC配合完成其余的复阻抗匹配。

Claims (10)

1.一种程控交换机用户线接口方法，其特征在于：

A、对于经过语音编解码芯片处理的信号接收，通过芯片内部电路和芯片外围电路及器件将外部高压信号与芯片低压信号进行分离，完成信号的4线到2线的转换；

B、对外经过保护电路处理的用户线信号，采用外围的隔直电容隔离外部高压直流信号，同时通过隔直电容与芯片内部电路交流耦合，完成信号的2线到4线的转换。

2.根据权利要求1所述的程控交换机用户线接口方法，其特征在于：

所述的外围电路是三极管放大电路，芯片内部发出的信号通过外围的三极管放大电路，对环路提供电压反馈，VRX信号通过三极管以交流馈电电流方式输出，其中PNP三极管(Q1)基极接低电压，保证三极管对弱信号的驱动响应。

3.根据权利要求2所述的程控交换机用户线接口方法，其特征在于：

所述的芯片内部提供工作馈电电流(ISS1)至外围的PNP三极管(Q1)发射极，三极管(Q1)集电极通至TIP，三极管(Q1)基极接0伏电压，VRX信号以交流馈电电流方式作用于三极管(Q1)发射极。

4.根据权利要求2所述的程控交换机用户线接口方法，其特征在于：

所述的三极管电路包括三极管(Q2)、(Q3)，三极管(Q2)、(Q3)以二级放大形式直接相连，共模控制电路(CMCC)控制三极管(Q2)，PNP三极管(Q2)基极接0伏电压，三极管(Q3)集电极通至RING。

5.一种实现权利要求1所述的用户线接口方法的程控交换机用户线接口电路，包括接收运算放大器，其正端和负端分别连接电阻R1、R3且分别透过外部的隔直电容C1、C2与TIP、RING相连，其特征在于：

所述的接收运算放大器正端连接电阻(R2)，且接入内部参考电压(V_ref)，其负端与输出端之间通过电阻(R4)相连；

共模控制电路(CMCC)连接两个采样电阻(RT)、(RR)分别对TIP、RING进行采样，两个采样电阻外端连接一大阻值电阻(RL)；

该共模控制电路(CMCC)输出端连接一个由PNP三极管(Q2)和NPN三极管(Q3)以二级放大直接相连的三极管放大电路，该放大电路输入三极管(Q2)发射极与共模控制电路(CMCC)输出端相连，输出三极管(Q3)集电极与RING相连；

电压-电流转换电路与工作馈电电流(ISS1)共同连至外部的PNP三极管(Q1)，三极管(Q1)基极接0伏电压，集电极连至TIP。

6.根据权利要求5所述的程控交换机用户线接口电路，其特征在于：

所述的输入三极管(Q2)基极接0伏电压。

7.根据权利要求5所述的程控交换机用户线接口电路，其特征在于：

所述的电压-电流转换电路包括一运算放大器，该运算放大器负端通过电阻(R6)连接VRX信号，其正端连接内部参考电压(V_ref)，其输出端连接PMOS管(M1)，PMOS管(M1)发射极与运算放大器负端相通，且与工作馈电电流(ISS1)相通，PMOS管(M1)集电极连接外部三极管(Q1)。

8.根据权利要求7所述的程控交换机用户线接口电路，其特征在于：

所述的运算放大器负端通过电阻(R5)与接收运算放大器输出端相连。

9.根据权利要求5所述的程控交换机用户线接口电路，其特征在于：

所述的共模控制电路(CMCC)包括两个共模运算放大器，其负端分别连至TIP、RING，共模运算放大器的输出端分别通过电流镜像(Current Mirror)后进行叠加，并通过电阻(R7)转换成电压(Va)加载于一比较器正端，该比较器输出端连接PMOS管(M2)，PMOS管(M2)发射极加一内部电压(VDD)，PMOS管(M2)集电极与PNP三极管(Q2)发射极相连，该共模控制电路(CMCC)中的两个共模运算放大器的正端及比较器的负端分别接入内部参考电压(V_ref)。

10.根据权利要求9所述的程控交换机用户线接口电路，其特征在于：所述的共模控制电路(CMCC)中，连接TIP的共模运算放大器引出另一电流镜像(Current Mirror)至一比较器负端，通过电阻(R8)转换成电压，该比较器正端内部参考电压(V_ref)，其输出端连接控制管(M3)，控制管(M3)工作电流和工作馈电电流(ISS1)由内部固定电流源(Ibias)提供。

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