CN2273473Y - 恒流馈电和2/4线转换装置 - Google Patents

Abstract

恒流馈电和2/4线转换装置。包括电压电流转换放大器(20)直流V－A转换电阻(Rdc),阻抗匹配的反馈电路和4—2线信号接收电路(30B),二线信号分离电路(30A)和纵向阻抗平衡电路(40)以及串接电阻(Rs)。与现有技术相比本装置降低了对器件的精度要求,结构紧凑合理,易于调整,改善了恒流馈电效果和交流电气性能,并适于大规模生产。

Description

恒流馈电和2/4线转换装置

本实用新型涉及数字程控交换机的模拟用户电路，更具体地涉及其内的恒流馈电及2/4线转换装置。

本申请人于96年4月10日提交的题为“用户模块的2/4线转换及恒流馈电装置”的实用新型专利申请提出一种总体结构简单成本低廉的无变压器式用户接口恒流馈电及2/4线转换装置，但还存在以下问题：如图1所示，该装置的恒流馈电通过上下两个对称的恒流源IA、IB来完成，其二、四线转换是通过两个隔直电容C1、C2及一个阻容网络来实现的。由于上下两个恒流源对交流信号的输入阻抗为高阻抗，为实现所要求的三元件Z的输入阻抗匹配，需分别在上下两个恒流源旁并接一个半三元件Z/2。虽然该类电路结构较为简单，但是要求上下两个半三元件的阻容器件具有较高的匹配精度，不利于大规模低成本生产。此外，该装置由一个复杂的阻容网络来完成回波抵消，这一网络电路的调整很难达到理想效果，而且因回波抵消的调整影响阻抗匹配、对地平衡、发送增益等其他指标，更增加了这一调整的难度。

因此本实用新型的目的即为克服现有技术的上述缺陷，提供一种对器件精度要求不高，适于大规模生产、结构紧凑合理，易于调整，直流恒流馈电效果和交流电气特性均优于现有同类装置的2/4线转换和恒流馈电装置。

为达到本实用新型上述目的，本申请人在采用反馈电路改善装置性能的构思基础上，经过大量实验终于成功地研制出一种用较为简单的单端交流反馈电路实现本实用新型上述目的的用户接口2/4线转换和直流馈电装置。

该装置包括彼此串联连接在所述负电源馈电端VBAT所述接地端与所述电流控制端VDC之间的电压电流转换放大装置(B0，20)；直流电压电流转换电阻R_dc；连接在所述VTX端和VRN端与所述二线端TA、TB之间的阻抗匹配的反馈电路和4线至2线信号接收电路(30B；A1，A3，Rd1，Rd2)二线交流信号分离电路(30A；A0)和交流纵向阻抗平衡电路(40；Rb；A2)，以及连接在所述二线端之一与接地端/负电源馈电端之间的串接电阻Rs或其更佳改型电路。所述电压电流转换放大装置包括一个电流增益为β₀的受控交直流放大器(B0)，所述阻抗匹配的反馈电路和4线至2线信号接收电路包括增益为β₁的第一放大器(A1)和增益为β₃的频率补偿电路(A3)，与所述第一放大器串接的电阻(Rd；Rd1，Rd2)，以及所述纵向阻抗平衡电路包括并联连接在所述电压电流转换放大装置一端和一个二线端之间，增益为β₂的彼此串联连接的一线端交流信号分离电路(A2)和用于调整纵向阻抗平衡的纵向信号电压一电流转换电阻Rb。所述串接电阻Rs的改型电路包括运放、三极管和多个电阻，以避免Rs单电阻在TA端碰接或感应一个较高负电平(＜-30V)时因承受较大功耗而烧毁的危险。

由此可见，本实用新型装置由于输入阻抗通过反馈来实现，故可降低对三元件阻容网络的匹配精度要求。并由于采用单端反馈可实现成本低廉的厚膜工艺适于我国当前国情——大大降低了成本，同时实验数据证明本实用新型在阻抗反射，回波抵消、对地平衡等指标方面，都大大优于CCITT规定的要求。总之，本实用新型的突出效果是在保证性能优良的同时，对器件精度要求和成本却大为降低，并易于调整和适于大规模生产。

现结合附图详细说明本实用新型的原理和实施例，附图中：

图1为一种先有技术的恒流馈电及2/4线转换装置的原理方框图；

图2是本实用新型恒流馈电及2/4线转换装置的原理方框图；

图3是本实用新型装置第一实施例的电路图；

图4a，4b是对图3参数选择的说明图，即图4a表示欲获得的输入阻抗一例的

示意图；图4b表示图3中Z_TX的相应示意图；

图5是本实用新型第二实施例的原理框图；

图6是图3所示实施例的一种改型装置的电路图；

图7是图3中所示电压电流装置的一种改型的电路图；

图8是图3和图5中串接电阻R_s的一种保护电路实例。

图9是图3和图5中串接电阻R_s的一种改型的电路图

众所周知，对于一个有源网络，为获所需匹配的输入阻抗，可通过引入一定的反馈回路，使输入电路信号以一定比例受控于输入电压信号来实现。

本实用新型基于这种反馈思想，提出如图2所示的原理框图，实现模拟二线端口交流输入阻抗匹配和纵向输入电阻平衡，以及恒流馈电，二一四线转换的功能。图中各符号表示：

TA、TB——连接模拟用户设备的二线端；

VTX——四线信号发送端；

VRN——四线信号接收端；

VDC——馈电电流控制端；

VBAT——馈电负电源端；

A0——二线端口交流差模信号分离电路；

A1——二线端交流信号反馈电路，增益设为β₁；

A2——端TB交流信号分离电路，增益设为β₂；

VBL——上述分离电路A2的输出端；

A3——VRN端的交流信号接收电路，增益设为β₃；

B0——交直流电压—电流转换放大电路，其电流放大倍数为β₀；

Z_L——模拟用户设备等效负载阻抗；

Z——模拟二线端等效输入阻抗；

R_b——TB端纵向信号电压—电流转换电阻；

R_d——四线端交流信号电压—电流转换电阻；

VSN——反馈电压结点；

R_dc——直流电压—电流转换电阻；

R_s——端TA与地串接电阻；

如图2所示，线端TA与地之间直接串接一电阻R_s，而在线端TB与馈电负电源端VBAT串接了一个受控的交直流放大器B0，该电流放大器B0的输入端2与多个电压—电流转换电阻并接，把各种不同的交直流电压信号转换放大成电流信号。因此，该放大器一方面与直流电压—电流转换电阻Rdc及直流馈电控制端VDC输入的电压一起组成一个恒流馈电装置，给接在二线端TA、TB的模拟用户设备的Z_L提供恒定的直流，另一方面与交流信号分离电路A0、A2及转换电阻R_b、R_d组成二线端输入阻抗匹配和纵向输入阻抗平衡的反馈回路，另外，该电流放大器通过转换电阻R_d把四线接收端VRN的电压信号转换放大成电流信号，以电流形式作用到二线端的负载阻抗Z_L上，完成四至二线信号转换。下面将对图2中各功能模块的原理作进一步描述。

恒流馈电

馈电电流I_L由电流控制端VDC输入的直流电压Vdc和电压—电流转换电阻Rdc决定，关系式如下： $I_L={\mathrm{\β}}_0\·\frac{\mathrm{Vdc}}{\mathrm{Rdc}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

二线端纵向输入阻抗平衡

端TA的纵向输入阻抗固定为Rs，而端TB的纵向输入阻抗Z_B是由电路A2。转换电阻Rb及电流放大器B₀三者构成的反馈回路来决定，具体关系式如下： $Z_B=\frac{R_b}{{\mathrm{\β}}_0\·{\mathrm{\β}}_2}$ 因此为实现二线端纵向输入阻抗平衡只需满足下式： $Z_B=\frac{R_b}{{\mathrm{\β}}_0\·{\mathrm{\β}}_2}=R_S\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

故在电路中只要调整电路A2的增益β₂和转换电阻R_b的大小就可精确调整二线端的纵向输入阻抗平衡。

输入阻抗匹配

二线端交流输入阻抗Z是由反馈电路A1，转换电阻R_d及电流放大器B0构成的反馈回路来决定。为得到所需匹配的输入阻抗Z，则反馈电路A1的增益β₁须满足以下关系式： ${\mathrm{\β}}_1=\frac{\mathrm{Rd}}{{\mathrm{\β}}_0\·G_{2-4}\·\mathrm{Rs}}\·\frac{Z-2\mathrm{Rs}}{z}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$ 式中G_2-4表示二线至四线的增益

二一四线转换

二线端的输入阻抗通过反馈实现匹配，所以二至四线信号转换只要通过分离电路A0就可实现，二至四线增益G_2-4即为A0的增益。但是四至二线信号转换对于负载Z_L的增益G_4-2需作频率补偿，这是通过四线接收端的补偿电路A3来实现的，其增益β₃需满足以下关系式： ${\mathrm{\β}}_3=\frac{4G_{4-2}\·\mathrm{Rd}}{{\mathrm{\β}}_0\·Z}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

图3是本实用新型的一个成功实施例的电路图，它是依据图2给出的原理框图和上述给出的关系式提出的，下面将具体介绍本实用新型实施例的电路结构。图3中实框20部分为电压一电流转换放大装置，由两部分组成：虚框20A内的电压—电流转换装置和虚框20B的镜象电流放大装置，两者通过电阻R2连接。电压—电流转换装置的输入端是运放OP4的输入“一”端，该输入端与三极管Q2的发射极相连，运放OP4的输入“+”端接地，其输出端与Q2的基极相连，三极管Q2的集电极为电压—电流转换装置的输出端，从图中可知，电压—电流转换装置的输入端对直流信号为“地”端，对交流信号为“虚地”端故交直流电压信号只要通过不同的电阻就可转换为交直流的电流信号，由三极管Q2的集电极输出。虚框20B内由NPN三极管Q0、Q1及电阻R0、R1组成的电路为一般的镜象电流放大电路，其电流放大比可近似为β₀＝R₁/R₀。该镜象放大电路的输出端与端TB相连。在本实施例中，Q0为中功率三极管，Q1、Q2为小功率三极管R0＝50Ω，R1＝2KΩ，电流放大倍数β₀近似为40。实框10与实框20所示两部分结合构成恒流馈电装置，根据恒流馈电的关系式(1)，本实施例取Vdc为5V，Rdc＝7.5K，当外线环阻为2K时，馈送电流I为18.2mA。

实框40部分为交流纵向阻抗平衡电路，包括由电容C3，电阻R5和运放OP2组成二阶高通滤波器，该滤波器的输入端与端TB相连，输出端通过电阻R_b与电压—电流转换装置相连。在本实施例中，C₂＝0.1μF、R5＝460KΩ，当R_S＝200Ω时，调整R_b到6.4KΩ，二线端口就能达到60dB的纵向平衡。

实框30为二一四线转换电路，其中虚框30A为二线交流信号分离电路，在一个实施例中，C1、C2为隔直电容，容值为0.1μF，R₃、R’₃为200KΩ R₄，R₄’为100KΩ，故该分离电路的增益β₁为1/2。虚框30B为阻抗匹配的反馈电路和四至二线信号的接收电路。根据图2原理框图给出的关系式(3)、(4)，可作进一步的变形，在一个实例中，只需一个运放OP1组成一个求和反相放大电路即可完成阻抗匹配的反馈和四至二线的接收，关系式(3)、(4)可作如下变形，(其中G_2-4＝1/2，G_4-2＝-1)。

对图2中的反馈电压结点VSN，其电压V_SN合成如下：

V_SN＝β₁·V_TX+β₃·V_RN $=\frac{2\mathrm{Rd}}{{\mathrm{\β}}_0\·\mathrm{Rs}}\·\frac{Z-2\mathrm{Rs}}{Z}\·V_{\mathrm{TX}}-\frac{4\mathrm{Rd}}{{\mathrm{\β}}_0\·Z}\·V_{\mathrm{RN}}$ $V_{\mathrm{SN}}=\frac{2\mathrm{Rd}}{{\mathrm{\β}}_0\·R_s}[V_{\mathrm{TX}}-\frac{4\mathrm{Rs}}{Z}(V_{\mathrm{TX}}+V_{\mathrm{RN}})]$ 取Rd＝1/2(β₀·R_S)时 $V_{\mathrm{SN}}=V_{\mathrm{TX}}-\frac{4\mathrm{Rs}*N}{Z*N}(V_{\mathrm{TX}}+V_{\mathrm{RN}})\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$ 式中N为＞＝100的整数从式(5)可以看出，对于结点SN的电压可由二部分叠加而成，V_TX与

而后一部分电压就可以通过图3中虚线框30B的运放OP1来完成。

实线框30中，二线端输入阻抗匹配的反馈通路是由两条支路组成的，四线发送端V_TX直接串接电阻Rd1到电压—电流放大器的输入端构成一条反馈支路，而四线发送端VTX通过虚线框30B中由OP1构成的反相放大器，再由放大器输出端通过电阻Rd2与电压—电流放大器的输入端相连构成另一条反馈支路。在一个实施例中，为得到图4(a)所示的输入阻抗Z，取N为100，则ZTX为图4(b)所示，其中Rd1＝Rd2＝3.2KΩ，RF＝40KΩ实框30中，四至二线转换也是通过虚框30B内的反相放大器OP1完成，在一个实例中，ZRN的取值与ZTX相同，如图4(b)所示，得到的四一二线增益G_4-2＝-1。

依据上述单端反馈的设计思路，本实用新型的电路可作多种变形，图5示出了本实用新型另一实施例的原理框图，如图5所示，它与第一实施例不同之处在于受控的电流源被串接在端TA与地之间，而TB端与负电源VBAT之间串接了等效内阻为R_S的恒压源，交流信号的反馈与四线信号接收都通过串接在端TA与地之间的受控电流源来完成。

另外还可对该实施例的电路结构作出如图6所示的变形，即在端TB与交流信号分离电路中的高通滤波器的输入端之间串接一个电阻R_S’，从而使端TB的纵向输入阻抗Z_B由R’_S和一个由反馈回路构成的等效阻抗组成，以达到更好的纵向平衡性能。

图9是替换串接电阻RS的改进电路，如该图所示，运放OPS的输出端901与三极管QS1的基极相连，输入负端902接到三极管QS1的发射极，再通过电阻R11接地。三极管QS1的集电极与端TA相连，运放OPS的输入端903与串接在地与端TA之间的分压电阻R12，R13的分压点PD1相连。三极管QS2的基极连到分压电阻R14，R15的分压点PD2，其发射极直接接地，串接电阻R16连接在三极管QS2的集电极与分压点PD1之间。

由图9所示电路可知，端TA与地之间等效电阻RS由电阻R11及点PD1的电压取样比β决定，即以下关系式成立： $V_{\mathrm{PD}1}=\frac{1}{\mathrm{\β}}\·V_{\mathrm{TA}}$

                 RS＝β·R11

              其中V_TA为TA端电压当端TA的电压大于阀值电压Vth时，即节点PD2的电压

时，三极管QS2截止，故PD1点的电压取样比 $\mathrm{\β}=\mathrm{\β}1=\frac{R12+R13}{R13}$ 此时等效的串接电阻RS为 而当端TA的电压小于阀值电压Vth时，即节点PD1的电压

时，三极管QS2导通节点PD1的电压取样比

相应的串接电阻RS为β2·R11或

显然阀值电压 对R14、R15取适当的值，就可以得一个恰当的阀值电压，在一个实施例中，R15为500KΩ，R14为11KΩ，阀值电压Vth为-28V，同时对R11，R12，R13，R16取合适的值就可以得到两个不同串接电阻RS的等效值，在一个实施例中，R11＝50Ω，R13＝40KΩ，R12＝200KΩ，R16＝10KΩ，相应的串接电阻RS分别为300Ω和12KΩ。

当然本领域技术人员根据本实用新型上述构思很容易对图3中的各功能电路作出多种显而易见的变形，如电压—电流转换装置20A可作如图7所示的变换，即运放正相端通过一电阻连接一个直流电压(V_DC)和交流电压(V_BL，V_SN)的加法电路(702)的输出端；图3中的虚框30B还可由二个运放的叠加组成等等。此外，对串接电阻RS还可加一个如图8所示的保护电路，或以图9所示电路替换之，以避免TA端碰接或感应高压对RS的可能损害。由图8可见，当端TA外线碰接负电源时，晶体管Q4截止，而Q5导通，从而使流经Q3、RS1、RS2的电流从Q5分流，以起到保护串接电阻(RS1、RS2)的作用。

Claims (25)

1、一种恒流馈电和2/4线转换装置，包括负电源馈电端VBAT，电流控制端VDC，四线信号发送端VTX，四线信号接收端VRN，连接用户设备的二线端TA、TB，和接地端，其特征在于：该装置还包括彼此串联连接在所述负电源馈电端VBAT所述接地端与所述电流控制端VDC之间的电压电流转换放大装置(B0，20)；直流电压电流转换电阻R_dc；连接在所述VTX端和VRN端与所述二线端TA、TB之间的阻抗匹配的反馈电路和4线至2线信号接收电路(30B；A1，A3，Rd1，Rd2)二线交流信号分离电路(30A；A0)和交流纵向阻抗平衡电路(40；Rb；A2)，以及连接在所述二线端之一与接地端/负电源馈电端之间的串接电阻Rs。

2、如权利要求1的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述电压电流转换放大装置包括一个电流增益为β₀的受控交直流放大器(B0)，所述阻抗匹配的反馈电路和4线至2线信号接收电路包括增益为β₁的第一放大器(A1)和增益为β₃的频率补偿电路(A3)，与所述第一放大器串接的电阻(Rd；Rd1，Rd2)，以及所述纵向阻抗平衡电路包括并联连接在所述电压电流转换放大装置一端和一个二线端之间，增益为β₂的彼此串联连接的一线端交流信号分离电路(A2)和用于调整纵向阻抗平衡的纵向信号电压—电流转换电阻Rb。

3、如权利要求1的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述直流电压电流转换电阻Rdc的最佳取值范围为200Ω-20KΩ。

4、如权利要求2的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于所述串接电阻Rs与所述受控电流源增益和所述交流信号分离电路的增益β₀，β₂，以及所述纵向转换电阻Rb之间存在以下关系：

Rb＝β₀β₂·Rs……………(1)以便调整β₂和Rb的大小，即能达到纵向输入阻抗平衡。

5、如权利要求4的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述反馈电路增益β₁满足以下关系式，以得到所需匹配的输入阻抗Z： ${\mathrm{\β}}_1=\frac{\mathrm{Rd}}{{\mathrm{\β}}_0\·G_{2-4}\·\mathrm{Rs}}\frac{Z-2\mathrm{Rs}}{z}$ 式中G_2-4为二线至四线电路的增益。

6、如权利要求5的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述频率补偿电路的增益β₃满足以下关系式： ${\mathrm{\β}}_3=\frac{4G_{4-2}\·\mathrm{Rd}}{{\mathrm{\β}}_0\·Z}$ 式中G_4-2为四线至二线电路的增益。

7、如权利要求1的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述阻抗匹配的反馈电路和4线至2线信号接收电路是由一个运算放大器(OP1)和分别与VTX，VRN连接的阻抗ZTX，ZRN，及连到该运算放大器输入端的另一阻抗(RF)组成的求和反相放大电路。

8、如权利要求7的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述受控的交直流放大器包括用于电压电流转换的串接的运算放大器(OP4)与三极管(Q2)和一个通过电阻(R2)与其相连的镜象电流放大器(20B)。

9、如权利要求8的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述镜象电流放大器(Q1，Q0，R1，R0)的放大倍数β₀近似为镜象电阻R1，R0之比，即

10、如权利要求8所述的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于用于电压电流转换的运算放大器(OP4)的正相端通过电阻连接到一个直流电压(VDC)和交流电压(VBL，VSN)求和电路的输出端。

11、如权利要求9的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述镜象电阻R1与R0的最佳范围分别为500Ω-10KΩ和10Ω-200Ω。

12、如权利要求2的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述交流纵向阻抗平衡电路由一个高通滤波器以及所述纵向转换电阻Rb组成。

13、如权利要求12的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述交通滤波器由电容(C3)，电阻和运放(OP2)组成的二阶高通滤波器。

14、如权利要求12的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述高通滤波器由晶体管及阻容器件组成。

15、如权利要求12的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述串接电阻RS可任意选择。

16、如权利要求11的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述串接电阻RS的最佳选择范围为50Ω-400Ω。

17、如权利要求9的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述用于电压电流转换的运算放大器(OP4)的正端接地和通过电阻接地。

18、如权利要求15的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述二线交流信号分离电路的增益G_4-2等于1或1/2。

19、如权利要求16的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述二线交流信号分离电路包括隔直电容(C1，C2)，电阻(R3，R4，R3′，R4′)和运算放大器(OP0)。

20、如权利要求17的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述交流纵向阻抗平衡电路由运算放大器(OP2)，电阻(R5)，电容(C3)组成。

21、如权利要求18的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：还包括连接在所述镜象电流放大电路与非接地的二线端之一的电阻(Rs’)，以进一步改善纵向输入阻抗的平衡性能。

22、如1-21中任一权利要求所述的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述串接电阻Rs由避免TA端碰接或感应高压对Rs造成可能损害的一个改型电路所替代。

23、如权利要求22所述的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述改型电路包括：分别并接在所述TA端与接地点之间的两组分压电阻(R12，R13；R14，R15)，和第一晶体管(QS1)与接地电阻(R11)；输入、输出端分别与第一分压点(PD1)和所述第一晶体管之基极相连的运算放大器(OPS)，以及其发射极接地，基极接第二分压点(PD2)和集电极通过电阻(R16)与所述第一分压点(PD1)相连的第二晶体管(QS2)。

24、如1-21中任一权利要求所述的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：还包括所述串接电阻Rs的高压保护电路。

25、如权利要求24所述的恒流馈电和2/4线转换装置，其特征在于：所述串接电阻Rs的保护电路由故障检测元件(Q4)和限流元件(Q5，R)构成。

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