JP4052917B2 - 電話向け加入者回線インタフェース回路の鳴動レンジを広げる鳴動ブースト回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的なネットワーク通信システムに関し、より詳細には、低コストの電話向け加入者回線インタフェース回路（SILC: Subscriber Line Interface Circuit）が、電話会社の電話回線（tip-ring）の動作に更に精度よく類似する、ＤＣオフセットにより鳴動を発生することを可能にする方法及びシステムに関する。
本発明の開示は、2001年10月5日に提出された米国仮出願シリアル番号60/327,690号に対して優先権を請求するものであり、該出願は、参照により本明細書に組込まれるものとする。
【０００２】
【従来の技術】
電話会社により発生される鳴動は、約４８Ｖの直流電流（ＤＣ）レベルにある２０Ｈｚの鳴動信号を通常有している。低コストの加入者回線インタフェース回路（ＳＬＩＣ）は、ボイスオーバインターネットプロトコル（ＶｏＩＰ）及び他の製品で使用されているが、この鳴動信号を供給することができない。これは、かかる鳴動信号が、非常に大きな電圧を必要とするためである。高い電圧の振幅を提供することは、非常に高い費用の解決策を必要とすることになる。
【０００３】
１つの高い解決策は、非常に高いバッテリ電圧を扱い、該バッテリ電圧を上げることが可能なＳＬＩＣを使用することである。この解決策は、ＳＬＩＣ、電源にコストが加わり、電力消費が増加される。別の解決策は、ＳＬＩＣ及び鳴動機能について個別のＩＣを使用して、ＳＬＩＣをリレー回路でスイッチすることである。この解決策もかなりの費用がかかる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ある電話及び応答器は、応答すべき鳴動信号の振幅と同様にＤＣオフセットに依存する。これらの電話は、これらの高価なＳＬＩＣ集積回路により発生される鳴動信号により駆動されたとき、適切に鳴動しない。これらの装置における鳴動信号は、典型的に、０ボルトのＤＣオフセットを有する１４０Ｖピーク トゥ ピークの台形波又は正弦波の波形である。
【０００５】
したがって、非常に僅かな改良費用についてＤＣオフセットを加えることを可能にし、電話製品を駆動するための低コストＳＬＩＣを可能にするシステム及び方法についての必要が存在する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スイッチ又は電流制限素子とともにチャージポンプ回路を使用して、ＤＣオフセットを発生する。このＤＣオフセットは、鳴動信号に加えられる。好ましくは、チャージポンプが鳴動信号自身により電力供給される。
【０００７】
１実施の形態では、鳴動ブースト回路は、鳴動ノードに接続される第１のスイッチング素子を有している。第１のスイッチング素子は、鳴動動作に応答する。チャージポンプは、鳴動ノードに接続され、鳴動動作の間に第１のスイッチング素子がオンにされるときに、鳴動ノードとチップノードの間の電位差を高めるための電圧オフセットを供給する。
【０００８】
別の態様の鳴動ブースト回路は、チップノード及び鳴動出力ノードを含んでいる。第１のスイッチは、鳴動ノードに接続され、鳴動動作に応答する。チャージポンプは、鳴動ノードと第１のスイッチの間に接続されており、鳴動動作の間に鳴動出力ノードをチャージポンプに接続するために第１のスイッチ素子がオンにされるとき、鳴動ノードとチップノードの間の電位差を高めるための電圧オフセットを供給する。第２のスイッチは、鳴動動作の間にチップノードをチャージポンプに接続する。
【０００９】
更に別の鳴動ブースト回路は、チップノードに接続され、鳴動動作に関連する信号以外の信号の接続を阻止するための電流制限素子、及び鳴動ノード及び電流制限素子に接続されるチャージポンプを含んでいる。チャージポンプは、鳴動動作の間に作動電流をチップノードから受けたとき、鳴動ノードとチップノードの間の電位差を高めるための電圧オフセットを供給する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の利点、特徴及び様々な追加の機能は、添付図面とともに詳細に参照される例示的な発明の実施の形態の考慮に応じて、更に十分に明らかにされるであろう。なお、図面は本発明の概念を例示するためのものであり、本発明を説明するために必ずしも必要とされる可能な構成ではない。
【００１１】
本発明は、たとえば、ボイスオーバインターネットプロトコル（ＶｏＩＰ）ユニットにおけるような、低コストな電話向け加入者回線インタフェース回路（ＳＬＩＣ）が、電話会社の電話回線（tip-ring）インタフェースの動作に非常に類似して、直流（ＤＣ）オフセット電圧により鳴動を発生することを可能にするシステム及び方法を提供するものである。
【００１２】
ＶｏＩＰユニットは、電話ＳＬＩＣを含み、慣習的な電話にインタフェースすることが可能な電話回線インタフェースを生成することが好ましい。鳴動の間、チャージポンプ回路は、ＤＣオフセットを供給し、該ＤＣオフセットは、鳴動信号に加えられる。このチャージポンプ回路は、鳴動信号それ自身により電力供給される。
【００１３】
なお、本発明は、ＶｏＩＰシステムの観点で説明されるが、本発明は、ＳＬＩＣを必要とする電話製品又はＳＬＩＣを使用して電話製品の鳴動を提供するためのより広範な任意の電話システムに対して適用されることが理解されるべきである。さらに、本発明は、電話、セットトップボックス、コンピュータ、衛星ボックス、或いは鳴動信号を使用する任意の他のネットワーク又はシステム向けの鳴動信号をシミュレーション可能な任意のシステムに適用することができる。
【００１４】
なお、図面は、各構成要素についての例示的な素子値を示している。これらの値は、本発明の例を示すために使用され、限定されるものとして解釈されるべきではない。当業者であれば、構成要素のタイプを理解することができ、その素子値等は、本発明の精神及び範囲において調節される場合がある。
【００１５】
特定の詳細において図面を参照するが、ここでは、幾つかの図面を通して、同じ参照符号が類似又は同一の構成要素を示している。
はじめに、図１を参照して、本発明の１実施の形態による鳴動ブースト回路１０が示されている。鳴動ブースト回路１０は、チャージポンプ回路１２を含んでおり、スイッチ１４，１６とともに、鳴動信号に加えられる直流電流（ＤＣ）オフセットを発生する。好ましくは、チャージポンプ１２は、鳴動信号により電力供給される。
【００１６】
ＴＩＰ及びＲＩＮＧは、電話加入者回線インタフェース回路（ＳＬＩＣ、図示せず）からの出力である。「オンフック」状態（すなわち、全ての接続されている電話がオンフック状態）の間、ＴＩＰは、グランド電位（０Ｖ）に通常近く、ＲＩＮＧは、通常約−５０Ｖの直流電圧である。鳴動の間、ＴＩＰ及びＲＩＮＧは、反対の２０Ｈｚの台形状の波形（又は、正弦波の波形）であり、約０Ｖから−７０Ｖの直流電圧までの範囲にある。結果として生じるＴＩＰとＲＩＮＧの電位差信号は、１４０Ｖピーク トゥ ピークの台形の波形である。
【００１７】
「オフフック」状態（すなわち、１つ以上の電話がオフフック状態）の間、ＴＩＰは、グランド電位（０Ｖ）に近く、ＲＩＮＧは、約−６Ｖの直流電圧である。鳴動の間のＴＩＰ及びＲＩＮＧの波形は、図２に例示されている。
【００１８】
図２を参照して、鳴動に際して、ＴＩＰは、約０Ｖにあり、ＲＩＮＧは、約−５０Ｖの直流電圧にある。鳴動の間、ＴＩＰ及びＲＩＮＧの両者は、７０Ｖピーク トゥ ピークの波形を出力している。
図３では、１４０Ｖピーク トゥ ピークの電位差の波形は、ＴＩＰ−ＲＩＮＧについて例示されている。図３では、オンフック状態の間、５０Ｖの直流レベルが存在するが、鳴動の間のＤＣレベルは実際に０Ｖの直流である。
【００１９】
図１に戻り、チャージポンプ１２は、複数の異なるやり方で実現される場合がある。本発明による１つの実現は、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を採用して、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３及びダイオードＤ１及びＤ２を含んでいる。図１は、これら素子の値が例示されている。これらの値は、調節される場合があり、異なる値が本発明に従い採用される場合がある。
【００２０】
鳴動の間、キャパシタＣ３の電圧は、約７０ボルトまで通常充電されるが、ツェナーダイオードＤ３により、たとえば５１Ｖに固定される。鳴動しないとき、スイッチ２２及び２０は開き、キャパシタＣ３は、たとえば、２．２秒の時定数により抵抗Ｒ３を通して放電する。他の固定電圧及び時定数もまた考慮され、当業者により調節される場合がある。
図４には、キャパシタＣ３の電圧が例示されている。この電圧は、鳴動の間にダイオードＤ３により許容可能な電圧にまで充電される。
【００２１】
好ましくは、スイッチ１４，１６は、鳴動の間に、キャパシタＣ３の電圧がＲＩＮＧに効果的に加えられるようなやり方で動作する。鳴動しないとき、第１の（すなわち、ノーマリ オン（ＮＣ））スイッチ１８はオンにされ、ＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥ（すなわち、他の出力ノード）はＲＩＮＧに接続される。
【００２２】
鳴動の間、スイッチ１８はオフにされ、第２の（すなわち、ノーマリ オフ（ＮＯ））スイッチ２０はオンにされる。第２のスイッチ２０は、キャパシタＣ３をＲＩＮＧと直列に接続する。これにより、ＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥでの電圧は、ＲＩＮＧにキャパシタＣ３の電圧を加えたものとなる。同時に、キャパシタＣ３の電圧は、チャージポンプ１２の動作により５１Ｖまで増加する。
【００２３】
第３のスイッチ２２は、オフフック期間で、タッチトーン及びオーディオ信号をロードしないようにチャージポンプ回路１２を保持する。鳴動のリスムを制御する信号２４は、ＴＩＰ及びＲＩＮＧの鳴動波形と一致して、スイッチ１４，１６を動作するために使用される。
【００２４】
スイッチ１８，２０の両者を同時に閉じることは、特に鳴動サイクルの最後で回避されるべきである。これは、両スイッチ１８，２０がオンにされた場合、キャパシタＣ３が該スイッチを介して急速に放電するからである。スイッチ抵抗のみが、極めて大きくなる可能性のある電流を制限する。この電流は、素子にダメージを与える可能性があり、この点で、図７における金属酸化膜半導体（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ７，Ｑ８のようなスイッチが実現される。
【００２５】
図５には、ＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥでの波形が例示されており、図６には、電位差ＴＩＰ−ＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥが例示されている。
【００２６】
図３と図６とを比較して、数百ミリ秒後に、鳴動のＤＣオフセット電圧は、０Ｖから約５０Ｖまで増加して、鳴動の終了までその状態を保持する。結合されたＤＣオフセット及びＡＣ鳴動の振幅は、鳴動に到達するために１００ボルト又はそれ以上の電圧を使用する力ずくのアプローチのための必要性をなくして、問題のある電話であっても鳴動するに十分な大きさである。
【００２７】
図７を参照して、本発明の別の実施の形態が示されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴＱ６，Ｑ７及びＱ８は、図１において説明及び図示されたような、スイッチ２２，２０及び１８のそれぞれを実現するために使用される。これらのＭＯＳＦＥＴは、高電圧ＰＮＰトランジスタ３６により実現されるカレントミラー３０，３２及び３４によりそれぞれ制御される。
【００２８】
カレントミラー３０，３２及び３４は、本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴＱ７及びＱ８向けに約３．７５Ｖのゲート電圧、及びＭＯＳＦＥＴＱ６向けに約３．１Ｖのゲート電圧が発生される、５０マイクロアンペアを出力するように設計されている。カレントミラー３０，３２及び３４は、ＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース間の電圧を一定に保持する。
【００２９】
抵抗Ｒ９は、（抵抗Ｒ１１及びＲ１３向けの７５キロオームに代えて、たとえば、６２キロオームに）素子値が設計され、トランジスタＱ１が飽和することを防止する。これにより、トランジスタＱ６のためのゲート駆動を減少することができる。
【００３０】
スイッチの他の実現は、リードリレー及び個体リレーを含むことが可能である。しかし、ＭＯＳＦＥＴは、費用対能率の高い解決策である。実際、価格決定では、１つの電話回線について回路１００は、３５セント以下の費用である。
図７には、構成素子の値が例示されている。本発明による効果的な機能を提供するために、他の値が使用される場合もある。
【００３１】
ＭＯＳＦＥＴスイッチＱ７及びＱ８の両者を同時にオンにされることは、特に鳴動サイクルの終了では回避されるべきである。先に説明された例では、キャパシタＣ３は、この同時にオンとなる事象が起こった場合に、スイッチを通して急速に放電する。たとえば、キャパシタＣ３が５０Ｖまで充電された場合、ＭＯＳＦＥＴＱ７及びＱ８のそれぞれのオン抵抗が６オームであるとき、結果として生じる電流は、両ＭＯＳＦＥＴがオンである場合に４．１７Ａである。
【００３２】
この電流は、ＭＯＳＦＥＴＱ７及びＱ８の電流定格を超え、一方又は両方の素子へのダメージを引き起こす場合がある。スイッチ作動のための遅延は、該遅延の発生を防止するために、ハードウェア又はソフトウェアで実現される場合がある。特に、両素子がオフとなる鳴動の遷移の間に僅かな「デッドタイム」を実現することは、この状況の発生を防止することができる。スイッチ１６にリードリレー又は固体リレーを利用する代替的な実施の形態では、“Break Before Make”タイプのスイッチが使用されるべきである。
【００３３】
図８、図９及び図１０を参照して、それぞれのスイッチＱ６，Ｑ７及びＱ８のそれぞれの電圧が例示されている。図８から図１０は、同じ時間スケールに基づいている。
図１１を参照して、別の実施の形態では、カレントミラーを電流源で置き換えて２つのＰＮＰトランジスタを除くことにより、図７の回路が簡略化される。
【００３４】
回路３００は、論理回路３０２を含んでおり、該論理回路３０２は、ＮＡＮＤゲート３０４を含んでいる。論理回路３０２は、ＭＯＳＦＥＴＱ６、Ｑ７及びＱ８を適切にオン及びオフにスイッチングするためのタイミング遅延を提供する。Ｄ４は、双方向のサイダクタ（sidactor）であり、光サージ又は他の遷移の間にＭＯＳＦＥＴＱ８に対する保護を提供する。サイダクタＤ４は、本鳴動ブースト動作に必須ではないが、本実施の形態では、現実的な実現の例として例示的に示されている。
【００３５】
図１２を参照して、本発明に従う別の簡単な実施の形態が回路４００として一般的に示されている。ここでは、スイッチ及びその制御回路が全体的に除かれている。ツェナーダイオードＤ５及びＤ６は、オフフック期間の間に、チャージポンプ１２がタッチトーン及びオーディオ信号をロードするのを防止する。これらのツェナーダイオードは、図１におけるスイッチ１４の機能に関して異なる実現を提供する。ＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥは、キャパシタＣ３に直接接続されている。この簡略化された実施の形態に関する動作及び機能は、先に説明されたものと殆ど同じである。
【００３６】
主な差異は、ＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥの電圧が、図５及び図６に示されるように鳴動期間の終了でＲＩＮＧの電圧まで瞬間的にジャンプしないが、代わりに、キャパシタＣ３が抵抗Ｒ３を介して放電するときに、ＲＩＮＧに漸近的に接近する。なお、スイッチ１４をツェナーＤ５及びＤ６で置き換えることは、スイッチ１８及び２０の除去に関して個々に行うことができる。これは、本発明の様々な可能な組合せを提供するものであり、その全ては本発明の精神を実施するものである。
【００３７】
電話用ＳＬＩＣの鳴動レンジを広げるための鳴動ブースト回路について好適な実施の形態を説明してきたが（これらは、例示することを目的としたものであり、限定されるべきものではなく）、当業者により、これまでに述べた教示に照らして、変更及び変形を行うことも可能である。したがって、特許請求の範囲により概略される本発明の範囲及び精神にある、開示される発明に関する特定の実施の形態において、変形例が考案される場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態による鳴動ブースト回路の回路図である。
【図２】図１の回路について鳴動する間の電話回線信号の波形を例示する図である。
【図３】図１の回路について鳴動する間の電話回線信号間の電位差の波形を例示する図である。
【図４】本発明による鳴動及び非鳴動の間のチャージポンプのチャージキャパシタ間の電圧の波形を例示する図である。
【図５】図１の回路についてＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥでの電圧の波形を例示する図である。
【図６】図１の回路についてＴＩＰ ＰＲＩＭＥ信号とＲＩＮＧ ＰＲＩＭＥ信号の間の電位差の波形を例示する図である。
【図７】本発明の別の実施の形態によるカレントミラーにより制御される、スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴを採用した別の鳴動ブースト回路の回路図である。
【図８】本発明による回路について鳴動動作の間のスイッチＱ６間の電圧の波形を例示する図である。
【図９】本発明による回路について鳴動動作の間のスイッチＱ７間の電圧の波形を例示する図である。
【図１０】本発明による回路について鳴動動作の間のスイッチＱ８間の電圧の波形を例示する図である。
【図１１】本発明の別の実施の形態によるデジタル論理回路によりイネーブルにされる電流源により制御される、スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴを採用した別の鳴動ブースと回路の回路図である。
【図１２】本発明の別の実施の形態により全体的にスイッチを除いた簡略化された鳴動ブースト回路の回路図である。
【符号の説明】
１０，１００，３００，４００：鳴動ブースト回路
１２：チャージポンプ回路
１４，１６，２２：スイッチ
１８：第１の（ノーマリ オン）スイッチ
２０：第２の（ノーマリ オフ）スイッチ

Claims (17)

1. 鳴動ノードに接続され、鳴動動作に応答する第１のスイッチング素子と、
   前記鳴動ノードに接続され、前記鳴動動作の間に鳴動電圧により電力供給され、前記鳴動動作の間に前記第１のスイッチング素子がオンにされたとき、前記鳴動ノードとチップノードの間の電位差を高めるための電圧オフセットを供給するチャージポンプとを備え、
   前記第１のスイッチング素子は、前記鳴動動作の間にオンにされるノーマリオフ スイッチ、及び前記鳴動動作の間にオフにされるノーマリオン スイッチを含む、
   ことを特徴とする鳴動ブースト回路。
2. 前記鳴動動作は、前記第１のスイッチング素子をオンにするための制御信号により始動される、
   ことを特徴とする請求項１記載の鳴動ブースト回路。
3. 前記第１のスイッチへの接続は、鳴動出力ノードを含み、
   前記ノーマリオフ スイッチは、前記鳴動動作の間に前記チャージポンプの前記電圧オフセットが前記鳴動ノードの電位に加えられるように、前記鳴動動作の間に前記鳴動出力ノードを前記チャージポンプに接続する、
   ことを特徴とする請求項１記載の鳴動ブースト回路。
4. 前記ノーマリオン
   スイッチは、前記鳴動動作以外のときに、前記鳴動出力ノードを前記鳴動ノードに接続する、
   ことを特徴とする請求項３記載の鳴動ブースト回路。
5. 前記鳴動動作の間に前記チップノードを前記チャージポンプに接続する第２のスイッチング素子をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の鳴動ブースト回路。
6. 前記チャージポンプは、前記電圧オフセットを制限するためのツェナーダイオードを含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の鳴動ブースト回路。
7. 前記チャージポンプは、前記鳴動動作の間に電荷を鳴動出力ノードに供給するための容量素子を含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の鳴動ブースト回路。
8. チップノード及び鳴動ノードと、
   前記鳴動ノードに接続され、鳴動動作に応答する第１のスイッチと、
   前記鳴動ノードと前記第１のスイッチの間に接続され、前記鳴動動作の間に鳴動電圧により電力供給され、前記鳴動動作の間に鳴動出力ノードをチャージポンプに接続するために前記第１のスイッチがオンにされたとき、前記鳴動ノードと前記チップノードの間の電位差を高めるための電圧オフセットを供給するチャージポンプと、
   前記鳴動動作の間に前記チップノードを前記チャージポンプに接続する第２のスイッチとを備え、
   前記第２のスイッチは、オフフック期間の間に前記チャージポンプがタッチトーン及びオーディオ信号をロードするのを防止する、
   ことを特徴とする鳴動ブースト回路。
9. 前記鳴動動作は、前記第１のスイッチをオンにするための制御信号により始動される、
   ことを特徴とする請求項８記載の鳴動ブースト回路。
10. 前記チャージポンプの前記電圧オフセットは、前記鳴動動作の間に前記鳴動ノードの電位に加えられる、
    ことを特徴とする請求項８記載の鳴動ブースト回路。
11. 前記第２のスイッチは、金属酸化膜半導体 電界効果トランジスタを含む、
    ことを特徴とする請求項８記載の鳴動ブースト回路。
12. 前記チャージポンプは、前記電圧オフセットを制限するためのツェナーダイオードを含む、
    ことを特徴とする請求項８記載の鳴動ブースト回路。
13. 前記チャージポンプは、前記鳴動動作の間に電荷を前記鳴動出力ノードに供給するための容量素子を含む、
    ことを特徴とする請求項８記載の鳴動ブースト回路。
14. 前記第１のスイッチは、金属酸化膜半導体 電界効果トランジスタを含む、
    ことを特徴とする請求項８記載の鳴動ブースト回路。
15. チップノードに接続され、鳴動動作に関連する信号以外の信号の接続を阻止するための電流制限素子と、
    鳴動ノード及び前記電流制限素子に接続され、前記鳴動動作の間に作動電流を前記チップノードから受けたとき、前記鳴動ノードと前記チップノードの間の電位差を高めるための電圧オフセットを供給するチャージポンプと、
    を備えることを特徴とする鳴動ブースト回路。
16. 前記電流制限素子は、ダイオードを含む、
    ことを特徴とする請求項１５記載の鳴動ブースト回路。
17. 前記鳴動ノードに接続され、前記鳴動動作の間に前記チャージポンプを前記鳴動出力ノードに接続するために前記鳴動動作に応答するスイッチング素子をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１５記載の鳴動ブースト回路。

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