专利名称：三态声频差动驱动器的制作方法
技术领域：
本发明总的说来涉及声频互连系统，具体地说涉及一种基带声频驱动放大器，用以给声频总线提供三态驱动信号。
总线有关的双向声频互连系统是大家所熟悉的，这种系统可用作例如“声频/视频”(A/V)系统中的互连元件。常用的A/V系统可能只包括诸如放大器和激光唱片唱机之类的声频源，也可能包括诸如磁带录象机、录象唱片重放机、电视频道选择器、电视录象机等的多个声频源和视频源。这类应用场合要求驱动器能将视频信号在较低的信号源阻抗或同步阻抗下加到总线上，并在较高的“断开状态”阻抗下使视频信号脱离总线。这种特性叫做“三态”操作，因为驱动包括三个状态(1)在低阻抗下给总线供应电流电流源；(2)在低阻抗下从总线卸除或“吸取”电流；和(3)在极高的阻抗下(实质上开路)使视频信号脱离总线或解除与总线的耦合。应用“三态”操作可以使一个元件与另一个元件经总线的传输双向进行。
要完成这种“三态”操作可以借助于机械式继电器将声频驱动器的输出端耦合到声频总线上。机械式继电器用在这种用途在导通阻抗和截止阻抗的电特性方面优异，但较贵，而且可能较笨重、不可靠和慢。象传输选通电路之类的固态开关也可用以有选择地将声频信号耦合到总线上，但一般“导通”电阻较高，而且“导通”电阻还可能随信号电平而变化，从而使信号产生不希望有的信号失真。
Beyers，Jr在1986年4月8日发布的题为“分布交换元件声频/视频系统”的美国专利4,581,645中介绍了用“固态”或晶体管开关有选择地将单端(即不平衡或非差动)声频信号耦合到双向声频总线的一个例子。该专利在声频三态驱动放大器的一个实例中这样写道左和右声频信号借助于相应串联耦合的场效应晶体管有选择地耦合到相应的双向非差动声频总线上。场效应晶体管的栅极接一个三态驱动放大器，由该放大器将栅电压转接到供电电压源(+5伏)和地，从而有选择地将左和右(立体)声频源耦合到一对单导体总线中相应的一个。为最大限度地缩短串联耦合的场效应晶体管开关导通和截止时的过渡过程，该电路装有一个电阻器供将三态控制电压加到晶体管栅极和栅/源电容器之用。这些元件是通过缩短场效应晶体管的开关时间以减少开关过程中低频过渡过程的干扰的。
通常都知道，放大器可用作串联开关以耦合和去耦合声频信号，开关则通过将供电电压转接到放大器上加以控制的。例如，汤姆逊消费者电子设备有限公司出品的CTC-179号电视接收机底盘就采用了既采用串联开关又采用并联箝位的声频抑噪放大器。CTC-179中电视接收机在输出插孔的声频输出通过同时采取下列措施抑制其噪声(1)卸除输出驱动放大器的正负供电电压；(2)启动耦合在驱动放大器输出端与声频输出插孔之间的“T”型阻性衰减器。“T”型衰减器的声频抑噪作用比通过只中断驱动放大器电源获得的大，它是通过将放大器的输出端经一对串联耦合的电阻器耦合到输出端插孔达到的。抑噪时，切除放大器的电源并启用耦合在该对电阻器的公共点与地之间的箝位电阻器，从而使输出端插孔处在抑噪状态时经输出放大器接地。但这种方法当衰减器的串联电阻大于所要求的线路驱动阻抗时不适用于双向总线的应用场合或平衡线路或“双股线对”的使用场合。
CTC-179抑噪系统的另一个情况是采用双集成电路放大器(TL082型)来驱动左右声频信号并抑制其噪声。虽然这项成果完全可以用来抑制噪声，但若放大器要用作差动线路驱动器需要在三态状态下进行高级直流隔离的场合则有问题。问题的一个方面是“带电”总线上的信号在三态情况下可能会超过集成电路中寄生二极管的击穿电压从而使总线的阻抗较低。抑噪系统用作差动总线驱动器还有另外一个问题，即系统采用两个电源，放大器的输出端在三态工作过程中由箝位电路接地，不然就是直流接地，从而避免通用状态电压的控制或调节超过一系列数值。
White等人在1995年9月5日发布的题为“三态视频差动驱动器”的美国专利5,448,311中介绍了一种可有效应用于双向差动线路或平衡线路的三态电路。
在White等人的三态差动线路驱动器中，驱动器是通过在三态工作过程中给四个输出晶体管加偏压使其截止以脱离平衡总线的。更具体地说，在White等人的设备的一个实施例中，差动电流源从经相应的负荷网络耦合到公用供电端的视频信号以获取第一和第二辅助电流并产生第一和第二辅助视频输出信号。第一输出电路将第一输出信号通过电压跟随器晶体管加到第一输出端，并通过电流源晶体管将第二输出信号加到第一输出端。第二输出端同样由第二电压跟随器晶体管和第二电流源晶体管驱动，所有晶体管的导电型式都相同。三态控制电路耦合到差动电流源，在第一工作方式下启用差动电流源，产生第一和第二辅助电流从而在输出端产生推挽输出信号。在第二工作方式下，三态控制电路迫使辅助电流为零，于是公用供电端通过两个负荷网络给所有输出晶体管的控制极放施加截止偏压从而使输出端都进入“三态”(隔离状态)。
这里有这样的好处，在White等人的设备的三态工作方式下，各输出电路中、各负荷网络中、差动电流源中和三态控制电路中的静态功耗都为零。此外，由于没有牵涉到反馈，因而驱动器无论在什么情况下都稳定，这一点在视频下特别重要。总之，White等人的三态差动驱动器视频信号方面的性能是卓越的。然而，声频信号尤其是在动态范围的声频信号由于一般都比视频信号大得多且需要宽得多的动态范围，稍微不同的考虑具有重要的意义。
本发明的三态差动线路驱动器，其第一和第二放大器耦合在一起，随着电压加到各放大器的第一和第二供电端和输出信号加到起码第一放大器上在相应的输出端上提供辅助输出信号。开关电路则根据加到其上的三态控制信号的第一电平将工作电压分别加到各放大器的第一和第二供电端，同时将输入信号耦合到第一放大器的输入端，并根据三态控制信号的第二电平隔离所有放大器的供电端且将输入信号去耦合。
附图中示出了本发明的上述和其它特点，附图中相同的元件用同样的编号表示，其中
图1是本发明实施例的三态声频驱动设备的原理图，一部分用方框表示；图2和图3示出了图1三态声频驱动设备的修改方案。
图1中的三态差动驱动设备是想用在，例如，总线有关元件声频/视频系统中便于系统元件通过公用总线互连而设计的。驱动器当然可以用在其它要求差动输出平衡、在三态情况下工作(双向总线运行和总线公用)的应用场合。所举的具体实施例是为供电电压为+12伏的单电源操作且在+6伏通用状态电压下提供平衡的输出信号而设计的。处在工作或驱动状态时，输出端低阻抗源通过60欧电阻器驱动，从而使线间的差动源阻抗为120欧，对地的通用状态阻抗为60欧。在三态工作期间，输出端都“浮动”或在电气上与供电端脱离从而可与其它驱动电路和双向操作“共用”总线。无论在工作状态或三态状态。通用状态电压都耦合到数个电路点以便最大限度地减小状态切换过程中某些过渡过程的影响。为完整起见，图中例举出了元件的具体数值。
驱动装置5有一对输入端14和16供接三态控制信号TS的信号源10和声频信号的信号源12用。例如在电视接收机中，可以用接收机的微机控制器产生三态控制信号TS来控制接收系统总线的各元件。电视接收机中的声频源可以由接收机的频道选择器提供。上面说过，这类总线有关的声频/视频系统是众所周知的。
信号源12提供的声频信号S1经电容器C1交流耦合到接单端端的开关SW-1再接到差动信号转换器40(虚线框内)。交流耦合确保通用状态输出信号分量与声频输入信号的直流分量无关。开关SW1在驱动状态工作过程中闭合时，起码一个通用状态电压源经开关SW1耦合，将电容器C1充电到通用状态电压。这可以避免开关SW1打开和闭合时的过渡过程(声频“干扰”)。然而开关SW1在三态状态过程中是打开的，因而不能给是容器C1提供通用状态充电电流。为避免电容器C1(例如因内部漏泄而)放电，给电容器配备了第二通用状态信号源。电容器经阻值较高的电阻器R9(1.0兆欧)耦合到通用状态电压Vcm的电压源32。本发明的这个特点有这样的好处无论三态信号的状态如何都能确保输入端的交流去耦合电容器妥善箝位到所要求的通用状态输出电压。
通用状态电压源32(虚线框内)有一个分压器由电阻器R7和R8耦合在正供电端24与地之间组成。12伏的正电压V1加到端子24上，地基准电压加到地端子26上。由于电阻器R7和R8等值，因而产生的通用状态电压为+6伏，此电压由耦合在电压源32的输出端与地之间的电容C2校平。
当开关SW1闭合使总线进入驱动工作状态时，原直流分量清除掉而供有新直流通用状态分量Vcm的输入信号S2经开关SW1和电阻器R1加到放大器U1。在本发明的这个实例中，放大器U1(例如741型之类的运算放大器)以统一的增益倒相方式连接。统一增益是通过将放大器输出端6A经阻值与输入电阻R1相等的反馈电阻器R2耦合到倒相输入端2A达到的。为使放大器U1的输出电压达到静态输出电压值，非倒相输入端3A经电阻器R10耦合到通用状态电压Vcm的电压源32上。因此，放大器U1输出端6A的静态输出电压等于通用状态电压Vcm。电阻器R10(和R12)的主要作用是使通用状态电压源32在三态状态下保持较高的阻抗值(47千欧)。应该指出的是，开关SW1在工作状态改变时是打开和闭合的，因而开关SW1两侧的通用状态电压相等，所以开关SW1的操作并不改变电容器的平均充电值，从而避免了工作状态改变时令人讨厌的“干扰”。还应该指出的是，电源V1关掉时，二极管CR-3通过晶体管Q1和Q2的反向导通防止总线22的加载。
为使转换器40中的辅助输出信号电压平衡，在本发明的实施例中配备了第二放大器U2，也是连接成倒相方式。具体地说，放大器U2的倒相端2B经输入电阻器R3耦合到放大器U1的输出端，且经反馈电阻器R4耦合到U2放大器的输出端6B。电阻器R3和R4等值，因而放大器U1输出端处的信号S4倒相，且在放大器U2的输出端出现信号S6。
为使通用和差动状态的输出阻抗达到所要求的阻抗值，而且为了保护三态驱动器使其不受双向差动(绞线对)总线22上过渡过程的影响并使静态通过状态输出电压均衡而高度地稳定，放大器U1和U2经相应的耦合网络28和30耦合到总线上。
网络28有一个60欧的串联电阻器R5耦合在放大器U1的输出端与总线端18之间。网络30有一个类似的60欧电阻器6将放大器U2输出端耦合到总线端子20之用。因此，网络28和30的这些元件确保当各放大器接上工作电源时，所要求的60欧通用状态的对地输入阻抗和所要求的120欧差动状态输出阻抗都加到总线端上。在三态工作期间，下面即将谈到，输出端18和20都处在较高阻抗的状态或相对于驱动器5“浮动”的状态。
为保护反向过渡电压使之不受总线22的影响，网络28和30分别装有电压击穿器件CR1和CR2，耦合在总线端18和20与地之间，其击穿电压等供电电压V1(例如12伏)。工作时，当放大器驱动总线22时，其电源端耦合到阻抗低的电压V1电压源。各放大器都是集成电路放大器，因而若加到其输出端的电压尖峰脉冲超过其电源电压，结击穿时就会破坏放大器。因此，击穿器件或齐纳二极管CR1和CR2的作用就是使任何来自总线22的电压尖峰脉冲不致到达放大器U1和U2的输出端。
网络28和30的另一个特点是在放大器U1和U2处在三态状态或脱离正电源和地电压源时提供另一个通用状态电压源。当放大器电源端7A、7B、4A和4B的供电中断时，放大器U1和U2实质上处于“浮动”状态或电气上脱离地和正电源的状态，而且非工作。在这方面，回想一下当放大器U1和U2工作，驱动着总线时加到不倒相输入端3A和3B的通用状态电压因反馈而形成通用状态输出电压的情况。但这种情况是不会在三态状态下发生的，原因是没有反馈，所以不经校正，放大器U1和U2的输出电压在三态状态下是不明确的。为防止这一点，当各放大器不起作用而使系统进入三态工作状态时，将通用状态电压经电阻器R16和R17加到放大器的输出端，从而使放大器的输出端处在基本上等于Vcm的电压下。
三态的控制是由包括单极单掷开关SW2和一对“双极单掷”开关DPST-1和DPST-2连同上述开关SW1一起的开关电路进行的。具体地说，放大器U1和U2的工作电压由PNP晶体管Q1和Q2提供，PNP晶体管Q1和Q2的发射极接12伏电源正端24，集电极接收放大器U1和U2各自的电源端7A和7B。NRN晶体管Q3和Q4的发射极接地，集电极则接放大器U1和U2的Vee电源端4A和4B。
当晶体管Q1-Q4偏压加得使其导通时，放大器U1和U2如上述那样工作，用辅助声频信号驱动总线22。当偏压加得使Q1-Q4截止时，放大器的输出端6A和6B在此三态模式下在电气上与地和电源端隔绝或“浮动”。为使所有晶体管开关同时导通以驱动总线22，晶体管Q1和Q2的基极经各自的基极电阻器R18和R19耦合到开关SW2(例如FET或传输门)的一个端子，开关SW2的另一个端子经基极限流电阻器R20和R21耦合到晶体管Q3和Q4的基极。这样，当加上三态控制信号TS使开关SW2闭合时，所有的晶体管收到基极电流且加上偏压以驱动总线22。相反地，当加上三态控制信号TS使开关SW2打开时，所有电源都撤离晶体管Q1-Q4且各输出端在电气上与电源电压及地电压隔绝。
概括起来说，功率开关晶体管Q1-Q4根据足以使开关SW1和SW2导通的三态控制信号TS的第一电平将工作电压(+12伏，地)加到各放大器的第一(7A，7B)和第二(4A，4B)电源端子上，同时经开关SW1将输入信号耦合到放大器(U1和U2)的起码其中之一(在此情况下为U1)上。根据三态控制信号TS的第二电平，功率开关晶体管Q1-Q4隔离放大器电源端，且开关SW1将输入信号去耦。
可以对本发明的上述实例进行种种修改。例如，可以用场效应晶体管开关代替双极开关并适当调节以满足不同偏置的要求。图1中，放大器U1和U2都按倒相放大器连接。图2示出了放大器U1以非倒相方式工作、放大器U2按倒相方式工作的修改方案。这是通过移动电阻器R1将端子3A耦合到开关SW1和通过移动电阻器R10以将通用状态电压Vcm耦合到开关SW1的输出端达到的。这一修改使加到总线端18和20的辅助信号倒相。图3示出了图的一个修改实例，其中放大器U1作为倒相放大器工作，放大器U2作为非倒相放大器工作。这是通过从图1的电路除去电阻器R3并通过将放大器U2的非倒相输入端3B耦合到开关SW1的输出端达到的。这种结构使输出信号的相位与图1的实例相同。就所示的图1、图2和图3的实例而论，图1的实例具有这样的好处由于结构完全相同，放大器U1和U2(倒相工作)预期可以使转换速度和带宽类似，而这在采用倒相和非倒相放大器的混合结构时的情况就未必都是如此。
权利要求
1.一种三态差动线路驱动设备，其特征在于第一和第二放大器(U1，U2)，耦合在一起以便根据工作电压(+12伏，地)往各放大器的第一(7A，7B)和第二(4A，4B)电源端的施加和输入信号(S1)往起码其中之一放大器的施加在各输出端(6A，6B)提供辅助输出信号；和开关电路(SW1，SW2)，根据加到其上的三态控制信号(TS)的第一电平用以将所述工作电压(+12伏，地)加到各放大器的第一和第二电源端，并用以同时将所述输入信号耦合到所述起码其中之一所述放大器的所述输入端，且根据所述三态控制信号的第二电平用以隔绝所述电源端和用以去耦合所述输入信号。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于装置(28，30，32，R10，R12)，用以将通用状态电压(Vcm)加到各放大器输出端(6A，6B)并加到各放大器的非倒相输入端(3A，3B)。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于装置(28，30，32，R10，R12)，用以连续将通用状态电压加到各放大器的输出端(6A，6B)并连续加到各放大器的非倒相输入端(3A，3B)，施加过程与所述三态控制信号(TS)的电平无关。
4.如权利要求1所述的设备，其特征还在于交流耦合装置(C1)，用以除去所述输入信号的直流分量；和通用状态信号源(32)，用以将通用状态信号加到所述交流耦合装置上，加到各放大器的基准输入端上和加到各放大器的输出端(6A，6B)上。
5.如权利要求1所述的设备，其特征还在于一对总线连接端(18，20)，各端经相应的阈值导电装置(CR1，CR2)耦合到所述工作电压的其中一个(地)，并经相应的电阻器(R5，R6)耦合到各放大器各自的输出端(6A，6B)。
6.一种三态差动线路驱动设备，其特征在于第一和第二放大器(U1，U2)，各放大器具有第一电源端(7A，7B)和第二电源端(4A，4B)、输入端(2A，2B)和输出端(6A，6B)，所述放大器都耦合在一起，根据工作电压(+12伏，地)往所述电源端的施加和输入信号(S1)往起码其中之一放大器输入端的施加在所述输出端提供辅助输出信号；开关电路(SW1，SW2)，根据加到其上的三态控制信号(TS)的第一电平用以将所述工作电压加到所述电源端子上，和用以同时将所述输入信号耦合到所述起码其中之一的所述放大器的所述输入端上，并根据所述三态控制信号的第二电平用以隔离所述电源端和去耦合所述输入信号，从而使所述诸放大器的输出端都处于高阻抗状态。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于装置(28，30，32，R10，R12)，用以将通用状态电压加到各放大器的输出端(6A，6B)并加到各放大器的非倒相输入端(2A，2B)。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于装置(28，30，32，R10，R12)，用以连续将通用状态电压加到各放大器的输出端，并加到各放大器的非倒相输入端，施加过程与所述三态控制信号(TS)的电平无关。
9.一种三态差动线路驱动设备，其特征在于第一和第二放大器(U1，U2)，各放大器具有第一电源端(7A，7B)，第二电源端(4A，4B)，输入端(2A，2B)和输出端(6A，6B)，所述放大器耦合在一起，以便根据工作电压(12伏，地)往所述电源端的施加和输入信号(S1)往起码其中之一所述放大器的输入端的施加在输出端提供辅助输出信号；第一开关(SW2)，闭合时响应，用以将第一工作电压源(12伏)耦合到各放大器的第一电源端(7A，7B)，且打开时响应，用以在电气上隔离各放大器的第一电源端；第二开关(SW2)，闭合时响应，用以将第二工作电压源(地)耦合到各放大器的第二电源端(4A，4B)，且打开时响应，用以在电气上隔离各放大器的第二电源端；第三开关(SW1)，闭合时响应，用以将所述输入信号直接耦合到所述起码其中之一的所述放大器上，且打开时响应，用以在电气上使所述输入信号脱离所述起码一个放大器；和三态控制装置(10)，具有第一控制状态和第二控制状态，前者供同时使各开关闭合，后者供同时使各开关打开。
10.一种三态差动线路驱动设备，其特征在于第一和第二放大器(U1，U2)，各放大器具有第一电源端(7A，7B)、第二电源端(4A，4B)、输入端(2A，2B)和输出端(6A，6B)，所述放大器耦合在一起，以便根据工作电压(12伏，地)往所述电源端的施加和输入信号(S1)往起码其中之一所述放大器的输入端的施加在所述输出端提供辅助输出信号；第一和第二开关(SW2)，闭合时响应，用以将相应的所述第一电源端耦合到第一电压源；第三和第四开关(SW2)，闭合时响应，用以将相应的所述第二电源端耦合到第二电压源；第五开关(SW1)，闭合时响应，用以将所述输入信号加到所述起码其中之一所述放大器的所述输入端上；三态控制电路(10)，具有第一控制状态和第二控制状态，前者用以使所述诸开关闭合，后者用以使所述各开关打开；和通用状态信号源(32)，耦合时用以将通用状态信号加到所述第五开关的输入端(S2)上，加到各放大器的输入端(2A，2B)上，并加到各放大器的输出端(6A，6B)上。
11.如权利要求10所述的设备，其特征还在于一对总线连接端(18，20)，各个经其中一个相应的阈值导电器件(CR1，CR2)耦合到其中一个所述电压源(26)上，且经相应的电阻器(R5，R6)耦合到各放大器(U1，U2)各自的输出端(6A，6B)上。
全文摘要
第一和第二放大器耦合在一起根据工作电压往各放大器的第一和第二电源端的施加和输入信号往起码第一放大器的施加在相应的输出端提供辅助输出信号。开关电路根据加到其上的三态控制信号的第一电平将工作电压分别加到各放大器的第一和第二电源端，同时将输入信号耦合到第一放大器的输入端，且根据三态控制信号的第二电平隔离所有放大器电源端，并去耦合输入信号。
文档编号H03F3/72GK1160305SQ96123119
公开日1997年9月24日 申请日期1996年12月10日 优先权日1995年12月11日
发明者H·A·史密斯 申请人:汤姆森消费电子有限公司