專利名稱：可由cmos電路實現(xiàn)的用戶線接口電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于電話交換系統(tǒng)的用戶線接口電路。
用戶線接口電路是包括在交換系統(tǒng)中的。以下會清楚地看到，這種用戶線接口電路包括連接到二線制線路上的平衡運算放大器，連接到運算放大器上、并通過電壓比較器來決定饋入電阻的反饋控制單元，連接到電壓比較器上的低通濾波器，以及連接在低通濾波器和運算放大器之間的電壓-電流轉換電路。
低通濾波器、電壓比較器和運算放大器一般都采用負48伏的電源系統(tǒng)。因此，要求低通濾波器必須由具有高耐壓性能的電路元件來實現(xiàn)。對電壓比較器也是這樣。特別是低通濾波器和電壓比較器由LSI(大規(guī)模集成電路)來實現(xiàn)時，其成本會上升。除了成本高以外，它們也不適合于通過使用CPU(中央處理單元)等的軟件控制方法，來改變饋入電阻，恒流值常數(shù)等。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用戶線接口電路，它可由CMOS電路以低成本實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的用戶線接口電路連接到二線制線路上，包括具有反相和同相輸入端以及反相和同相輸出端的平衡放大器。平衡放大器把加在反相和同相輸入端之間的輸入電壓加以放大，并產(chǎn)生反相和同相輸出，該輸出由基于第一參考電壓具有幅度相同而極性不同的反相和同相電壓來確定。該用戶線接口電路還包括連接在二線制線路的一端和反相輸入端之間的第一電阻，連接在二線制線路的另一端和同相輸入端之間的第二電阻，連接在反相輸入端和同相輸出端之間的第三電阻，連接在同相輸入端和反相輸出端之間的第四電阻，連接在二線制線路的一端和反相輸出端之間的第五電阻，以及連接在二線制線路另一端和同相輸出端之間的第六電阻。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，用戶線接口電路還包括具有衰減功能的電平移動電路。用來移動反相電壓到預先設定的一個電源的電壓范圍中，以產(chǎn)生電平移動電壓；連接到電平移動電路上的加法器，用來把電平移動電壓加在第二參考電壓上，以產(chǎn)生相加電壓；連接到加法器上的可變衰減器，用來在第二參考電壓基礎上以預設系數(shù)對相加電壓進行衰減，以產(chǎn)生衰減電壓；連接到可變衰減器上的減法器，用來從衰減電壓中減去第二參考電壓，以產(chǎn)生相減電壓；連接到減法器上的低通濾波器，用來對相減電壓進行濾波，以產(chǎn)生濾波電壓；以及連接到低通濾波器上的電壓-電流轉換電路，用來把濾波電壓轉換成轉換電流，并輸出轉換電流到反相輸入端。


圖1是普通的用戶線接口電路的電路圖；圖2是圖1所示電路的線路電流與線路阻抗的關系曲線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的用戶線接口電路的電路圖；圖4是圖3所示的可變衰減器的輸出電壓與輸入電壓的關系曲線圖；以及圖5是詳細說明了圖3中的電平移動電路，加法器和減法器的電路圖。
為了便于更好地理解本發(fā)明，將參照圖1，先對普通的用戶線接口電路進行說明。
該用戶線接口電路連接到二線制線路上，該二線制線路在“尖端”(Tip)和“環(huán)”端(Ring)之間具有阻值為RL的線路阻抗。用戶線路接口電路包括具有反相和同相輸入端以及反相和同相輸出端的平衡放大器A1。平衡放大器A1用來放大加在反相和同相輸入端之間的輸入電壓，并產(chǎn)生反相和同相輸出，該輸出由基于第一參考電壓VREF1幅度相同而極性不同的反相和同相電壓來確定。第一電阻1連接在“尖”端和反相輸入端之間。第二電阻2連接在“環(huán)”端和同相輸入端之間。第三電阻3連接在反相輸入端和同相輸出端之間。第四電阻4連接在同相輸入端和反相輸出端之間。第一到第四電阻1到4中的每一個都具有相同的阻值R。第五電阻5連接在“尖”端和反相輸出端之間。第六電阻6連接在“環(huán)”端和同相輸出端之間。第五和第六電阻5和6具有相同的阻值RF。這樣，分別通過第一和第三電阻1和3，在“尖”端到反相輸入端和同相輸出端之間形成反饋線路。相似地，分別通過第二和第四電阻2和4，在“環(huán)”端到同相輸入端和反相輸出端之間形成反饋線路。結果，平衡放大器A1的增益等于1。
反相輸出端通過阻值分別為R14和R15的電阻14和15接地。反相輸出端的輸出電壓由電阻14和15分壓。所得分壓輸入到電壓比較器A2的第一同相輸入端。電壓比較器A2的第二同相輸入端連接到具有參考電壓VREF的直流電壓或電源上。在電壓比較器A2中，當分壓高于參考電壓VREF時，分壓變?yōu)橛行?。反之，當參考電壓VREF高于分壓時，參考電壓VREF變?yōu)橛行?。電壓比較器A2具有電壓跟隨器的功能。換句話說，電壓比較器A2起到緩沖放大器的作用。這樣，電壓比較器A2以低阻抗提供等于較高有效電壓的輸出電壓。
電壓比較器A2的輸出電壓輸入到低通濾波器LPF。低通濾波器LPF為電壓-電流轉換電路A3提供濾波電壓。濾波電壓通過電壓電流轉換電路A3轉換成輸出電流。輸出電流輸入到平衡放大器A1的反相輸入端。在電壓-電流轉換電路A3中，濾波電壓通過阻值為R的電阻13轉換成輸出電流。這種情況下，轉換系數(shù)Gm可由下式表示Gm＝1/R(1)平衡放大器A1具有同相反饋的參考檢測電壓，它用第一參考電壓VREF1表示，以使輸出平衡。假定第一參考電壓VREF1等于為平衡放大器A1供電的負電源電壓VBB(未畫出)的一半。
現(xiàn)在計算從“尖”端和“環(huán)”端看的等效阻值(饋入阻值)RDC以及從“尖”端流向“環(huán)”端的線路電流IL。因為平衡放大器A1檢測出反相和同相輸出端之間的電壓的一半，并連接到同相反饋線路上，所以反相輸出端和地之間的電壓等于同相輸出端和負電源電壓VBB的電源端之間的電壓。假定這一電壓等于V2、電壓V2通過電阻14和15形成分壓VD，分壓VD可由下式表示VD＝V2{R15/(R14+R15)}(2)在|VD|＞|VREF|的情況下，分壓VD成為電壓比較器A2的有效輸入電壓。電壓比較器A2以分壓VD作為輸出電壓。通過低通濾波器LPF，交流分量從分壓VD中濾出。結果，分壓VD只有直流分量。分壓VD通過電壓-電流轉換電路A3以系數(shù)1/R轉換成輸出電流。輸出電流疊加在平衡放大器A1反相輸入端的輸入之中。
因為平衡放大器A1是同相反饋型，“尖”端和地之間的電壓等于“環(huán)”端和負電源電壓VBB的電源端之間的電壓。假定這一電壓等于V1，在這種情況下，電壓V1可由下列等式給出
V2＝V1-ILRF(3)VBB-2V2＝VBB-2V1+V2R15/(R14+R15)(4)V1＝(VBB-ILRL)/2(5)這樣，可給出下式，β＝R15/(R14+R15) (6)結果，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}ILRF(7)通過式(5)和(7)消去電壓V1，線路電流IL可由下式給出，IL=VBBRL+2(β+2)βRF---(8)]]>由電路的上述平衡特性，“尖”端和地之間的等效電阻(饋入電阻)等于“環(huán)”端和負電源電壓VBB的電源端之間的等效電阻。假定這一電阻等于RDC。這樣，線路電流IL可由下式給出，IL＝VBB/(RL+2RDC) (9)由式(8)和(9)可推出下式RDC＝{(β+2)/β}RF(10)式(10)意味著可以通過改變電阻R14和電阻R15的比值而任意選取等效電阻(線路電阻)RDC的阻值。
另外，在|VD|＜|VREF|的情況下，參考電壓VREF成為電壓比較器A2的有效輸入電壓。電壓比較器以參考電壓VREF作為輸出電壓。式(4)應變?yōu)橄率?，VBB-2V2＝VBB-2V1+VREF(11)由式(3)和(11)，線路電流IL由下式給出，IL＝VREf/2RF(12)這意味著線路電流IL和線路電阻RL無關。換句話說，可以通過改變參考電壓VREF而獲得所要求的恒流特性。
參照圖2，當線路電阻低于某一特定值RL1時，電路具有恒定電阻特性。當線路電阻高于這一特定值RL1時，電路具有恒流特性。
上述電路被稱作半恒流電源型。在這種電路中，當電路具有較低的線路電阻時，可以降低功耗。
同時，上述用戶線接口電路要求平衡放大器A1由負48伏的電源供電工作。和平衡放大器A1一樣，電壓比較器A2和低通濾波器LPF也由負48伏的電源供電。這就意味著低通濾波器LPF必須由具有高耐壓性能的電路元件來實現(xiàn)。這種電路元件的成本很高。類似地，電壓比較器A2也必須由具有高耐壓性能的電路元件來實現(xiàn)。特別是低通濾波器LPF和電壓比較器A2由LSI來實現(xiàn)時，其成本會提高。除了成本高以外，它們還不適合于通過使用CPU等的軟件控制方法，來改變饋入電阻、恒流值常數(shù)等。
參照圖3，接著將對根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方案的用戶線接口電路進行說明。這一電路所包括的部分除了電平移動電路LS、加法器ADD、可編程的可變衰減器ATT和減法器SUB以外，其余的和圖1所示的相似。
電平移動電路LS具有衰減功能，亦能檢測平衡放大器A1反相輸出端的電壓，以使電壓保持在低于正5伏電源的范圍中。也就是說，電平移動電路LS以地電位為基礎使電壓反向，并以恒定的衰減系數(shù)K1使電壓衰減。電平移動電路LS執(zhí)行電平移動操作，將從負48伏的電源系統(tǒng)來的電平移動到正5伏電壓范圍內(nèi)。電平移動電路輸出電平移動電壓VLS到加法器ADD。加法器ADD輸入有第二參考電壓VREF2，并把第二參考電壓VREF2和電平移動電壓VLS相加。加法器ADD輸出相加電壓VADD到可變衰減器ATT?？勺兯p器ATT輸入有第二參考電壓VREF2和第三參考電壓VREF3。相加電壓VADD由可變衰減器ATT在第二參考電壓的基礎上以恒定的衰減系數(shù)K2進行衰減。可變衰減器ATT輸出衰減電壓VATT到減法器SUB。
減法器SUB輸入有第二參考電壓VREF2和衰減電壓VATT，并從衰減電壓VATT中減去第二參考電壓VREF2。減法器SUB輸出相減電壓VSUB到低通濾波器LPF。低通濾波器LPF從相減電壓VSUB中除去交流分量，產(chǎn)生只有直流分量的濾波電壓。在電壓-電流轉換電路A3中，濾波電壓通過具有阻值R的電阻13轉換成輸出電流。這時，轉換系數(shù)Gm可由Gm＝K3/R表示。輸出電流I由下式給出，I＝K3V/R (13)輸出電流I被輸送到平衡放大器A1的反相端。
下面將接著說明計算從“尖”端和“環(huán)”端看的等效電阻(饋入電阻)RDC以及從“尖”端流向“環(huán)”端的線路電流IL。計算過程基本上和結合圖1所作的計算相同。因此，對相同部分的計算過程將不再敘述。
電平移動電路LS由平衡放大器A1的反相端提供電壓V2。因為電平移動電路LS具有恒定的衰減系數(shù)K1和使電壓V2的極性反向的倒相功能，電平移動電壓VLS可由下式表示VLS＝-K1V2 (14)由加法器ADD輸出的相加電壓VADD可由下式表示，VADD＝-K1V2+VREF2(15)因為可變衰減器ATT在第二參考電壓的基礎上以恒定的衰減系數(shù)K2對相加電壓VADD進行衰減，衰減電壓VATT可由下式表示，VATT＝-K1K2V2+VREF2(16)因為減法器SUB從衰減電壓VATT中減去第二參考電壓，相減電壓VSUB可由下式表示，VSUB＝-K1K2V2(17)由式(17)明顯可見，相減電壓VSUB不受第二參考電壓VREF2的影響。
盡管相減電壓VSUB實際上具有交流分量，但該交流分量可由低通濾波器LPF除去。為方便起見，由式(17)表示的相減電壓VSUB只代表直流分量。所以由低通濾波器LPF輸出的濾波電壓等于相減電壓VSUB。
相減電壓VSUB由電壓-電流轉換電路A3以轉換系數(shù)K3/R轉換成輸出電流I。輸出電流I輸入到平衡放大器A1的反相端，通過阻值為R的反饋電阻轉換成電壓。
和結合圖1所述的一樣，由于平衡放大器A1具有輸出平衡特性，反相端和地之間的電壓V2等于同相端和負電源電壓VBB的電源端之間的電壓。另一方面，“尖”端和地之間的電壓V1等于“環(huán)”端和負電源電壓VBB的電源端之間的電壓。
在上述條件下，可推出下列等式，V2＝V1-ILRF(18)VBB-2V2＝VBB-2V1+K1K2K3V2 (19)V1＝(VBB-ILRL)/2 (20)式(18)到(20)分別和參照圖1所述的式(3)到(5)相對應。和前面所述過程相同，線路電流IL可由下式表示，IL=VBBRL+2(K1K2K3-2)K1K2K3RF---(21)]]>如果代表“尖端”和地之間的等效電阻(饋入電阻)RDC等于“環(huán)”端和負電源電壓VBB的電源端之間的等效電阻，線路電流IL可由下式表示IL＝VBB/(RL+2RDC) (22)通過式(21)和(22)，等效電阻(饋入電阻)RDC可由下式表示RDC＝{(K1K2K3+2)/K1K2K3}RF(23)由式(23)明顯可見，可以通過改變K1、K2和K3的值而任意選取等效電阻(饋入電阻)RDC的阻值。
可變衰減器ATT具有箝位功能。通過箝位功能，當輸入電壓即相加電壓高于第三參考電壓VREF3時，輸出電壓即衰減電壓VATT被箝位在第三參考電壓VREF3。
參照圖3，假設衰減電壓VATT被箝位在第三參考電壓VREF3。由式(16)，這種情況會發(fā)生在以下不等式成立時，-K1K2V2+VREF2＞VREF3(24)在這種條件下，可以認為從反相端返回到同相端的反饋路徑和平衡放大器A1分離。而且衰減電壓VATT變?yōu)榈扔诘谌齾⒖茧妷篤REF3。相減電壓VSUB可由下式表示VSUB＝VREF3-VREF2(25)這樣，上述式(19)由下式代替VBB-2V2＝VBB-2V1+K3(VREF3-VREF2)(26)通過式(18)和(26)，線路電流IL可由下式表示，IL＝K3(VREF3-VREF2)/2RF(27)由式(27)明顯可見，線路電流IL變得和線路電阻RL無關。換句話說，可以通過改變第三參考電壓VREF3和使第三參考電壓取固定值而獲得所要求的恒流特性。結果，整個饋入電流特性變得和圖2所示的特性等效。也就是說，當線路電阻RL小于某一特定值RL1時，線路電流IL變?yōu)楹愣ㄖ怠１M管平衡放大器A1工作在負48伏電源系統(tǒng)下，可變衰減器ATT，低通濾波器LPF等是工作在相同的正5伏電源系統(tǒng)下的，這意味著用戶線接口電路可以通過具有低耐壓特性的電路元件形成，除了平衡放大器A1以外。
參照圖5，根據(jù)本發(fā)明的用戶線接口電路將被更為詳細地說明。用戶線接口電路包括由相同參考標號標明的相同部分。
圖5中，圖3所示的電平移動電路LS和加法器ADD由第七和第八電阻7和8、第一運算放大器OP1以及提供第四參考電壓VREF4的直流電壓源來實現(xiàn)。第七電阻7有一端連接到平衡放大器A1的反相輸出端。第一運算放大器OP1具有第一反相輸入端和第一同相輸入端以及第一輸出端。第一反相輸入端和第七電阻7的另一端相連。第八電阻8連接在第一反相輸入端和第一輸出端之間。第一同相輸入端輸入有第四參考電壓VREF4。第七和第八電阻7和8分別具有阻值R7和R8。
圖3所示的減法器SUB包括第九到第十二電阻9、10、11和12以及第二運算放大器OP2。第九電阻9有一端連接到可變衰減器ATT上。第二運算放大器OP2具有第二反相輸入端和第二同相輸入端以及第二輸出端。第二同相輸入端和第九電阻9的另一端相連。第十電阻10有一端和第二同相輸入端相連而另一端接地。第十一電阻11有一端和第二參考電壓連接而另一端和第二反相輸入端相連。第十二電阻12連接在第二反相輸入端和第二輸出端之間。第二反相輸入端通過第十一電阻11接通第二參考電壓VREF2。第九到第十二電阻9到12分別具有阻值R9、R10、R11和R12。
第二運算放大器OP1具有結合圖3所述的電平移動功能和加法功能。第一運算放大器OP1要求具有的運算性能是獲得如式(15)所示的等于(-K1V2+VREF2)的輸出電壓。要獲得這種運算性能，可通過使得阻值R7和R8以及第四參考電壓VREF4滿足下式，VOP1＝VREF4-R8(V2-VREF4)/R7＝-K1V2+VREF2(28)換句話說，這可以通過使得阻值R7和R8以及第四參考電壓VREF4滿足下式來實現(xiàn)，VREF4＝VREF2{R7/(R7+R8)} (29)
K1＝R8/R7 (30)接下來，第二運算放大器OP2要求具有的運算性能是實現(xiàn)從衰減電壓VATT中減去第二參考電壓VREF2的減法操作。這一減法操作可以通過利用第二運算放大器OP2和第九到第十二電阻R9到R12形成差分放大器來實現(xiàn)。在R9＝R10＝R11＝R12的條件下，第二運算放大器OP2的輸出電壓VOP2等于(VATT-VREF2)。這樣，就得到所需要的運算性能。
根據(jù)本發(fā)明，用戶線接口電路可以由低耐壓和低成本的CMOS電路來實現(xiàn)，因為電平移動運算是由電平移動電路完成的。它適合于通過使用CPU的軟件控制方法來改變饋入電阻、恒流值常數(shù)等，因為電路元件是由低耐壓的CMOS電路實現(xiàn)的。由于電平移動電路中施加了偏置電壓，即使用戶線接口電路由單電源供電工作交流信號也不會被箝位。另外，用戶線接口電路以低功耗工作。
盡管到目前為止結合其優(yōu)選實施方案敘述了本發(fā)明，但本領域技術熟練人員也可能輕易地以其他各種方式實現(xiàn)本發(fā)明。例如，可變衰減器可以由以下結構實現(xiàn)，即把若干串聯(lián)的電阻連接在輸入端和第二參考電壓VREF2之間。在這種情況下，這些電阻具有若干電壓分壓點?？梢酝ㄟ^模擬開關等選取這些分壓點中的一個。
權利要求
1.一種用戶線接口電路，連接到二線制線路，并包括平衡放大器，具有反相和同相輸入端以及反相和同相輸出端，用來放大加在反相和同相輸入端之間的輸入電壓，以產(chǎn)生反相和同相輸出，該輸出由基于第一參考電壓幅度相同而極性不同的反相和同相電壓來確定；第一電阻，連接在二線制線路的一端和反相輸入端之間；第二電阻，連接在二線制線路的另一端和同相輸入端之間；第三電阻，連接在反相輸入端和同相輸出端之間；第四電阻，連接在同相輸入端和反相輸出端之間；第五電阻，連接在二線制線路的一端和反相輸出端之間；以及第六電阻，連接在二線制線路另一端和同相輸出端之間，該用戶線接口電路還包括電平移動電路，具有衰減功能，用來移動反相電壓到正的單電源預設的電壓范圍中，以產(chǎn)生電平移動電壓；加法器，連接到電平移動電路上，用來把電平移動電壓加在第二參考電壓上，以產(chǎn)生相加電壓；可變衰減器，連接到加法器上，用來在第二參考電壓基礎上以預設的系數(shù)對相加電壓進行衰減，以產(chǎn)生衰減電壓；減法器，連接到可變衰減器上，用來從衰減電壓中減去第二參考電壓，以產(chǎn)生相減電壓；低通濾波器，連接到減法器上，用來對相減電壓進行濾波，以產(chǎn)生濾波電壓；以及電壓一電流轉換電路，連接到低通濾波器上，用來把濾波電壓轉換成轉換電流，并輸出轉換電流到反相輸入端。
2.根據(jù)權利要求1的用戶線接口電路，其特征在于，可變衰減器具有箝位功能，當相加電壓超過第三參考電壓時，用來使相加電壓箝位在第三參考電壓。
3.根據(jù)權利要求1的用戶線接口電路，其特征在于，電平移動電路和加法器由以下部分實現(xiàn)第七電阻，有一端連接到反相輸出端上；第一運算放大器，具有第一反相輸入端和第一同相輸入端以及第一輸出端，其第一反相輸入端與第七電阻的另一端相連；第八電阻，連接在第一反相輸入端和第一輸出端之間；以及直流電壓源，連接到第一同相輸入端上，以提供第四參考電壓。
4.根據(jù)權利要求1的用戶線接口電路，其特征在于，減法器包括第九電阻，有一端連接到可變衰減器的輸出上；第二運算放大器，具有第二反相輸入端和第二同相輸入端以及第二輸出端，其第二同相輸入端連接到第九電阻的另一端上；第十電阻，有一端連接到第二同相輸入端而另一端接地；第十一電阻，有一端接到第二參考電壓而另一端連接到第二反相輸入端上；以及第十二電阻，連接在第二反相輸入端和第二輸出端之間。
5.一種用戶線接口電路，包括平衡放大器，具有一對差動輸出端和一對輸入端，它們通過若干電阻連接到二線制線路的第一和第二端，以產(chǎn)生用于電源控制的檢測電壓；電平移動裝置，用來使檢測電壓的電平移動到預設電源的預設移動電壓；加法器，用來把預設的偏置電壓加到預設移動電壓上，以產(chǎn)生相加電壓；可變衰減器，用來使相加電壓箝位在預設的箝位電壓上；減法器，用來從預設的箝位電壓中減去預設的偏置電壓，以產(chǎn)生相減電壓；低通濾波器，用來對相減電壓進行濾波，以產(chǎn)生濾波電壓；以及電壓-電流轉換電路，用來把濾波電壓轉換成轉換電流，以輸出轉換電流到所述一對輸入端。
全文摘要
為了實現(xiàn)電源控制，平衡放大器輸出檢測電壓。電平移動電路使檢測電壓的電平移動到正5伏系統(tǒng)即低耐壓系統(tǒng)的電平移動電壓。加法器把參考電壓V
文檔編號H04Q3/42GK1155204SQ9611234
公開日1997年7月23日 申請日期1996年9月20日 優(yōu)先權日1995年9月22日
發(fā)明者西村浩一 申請人:日本電氣株式會社