专利名称：用户模块的2/4线转换及恒流馈电装置的制作方法
技术领域：
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2/4线转换及恒流馈电装置。
通常用户电路馈电有两种方式----恒压馈电和恒流馈电，由于恒压馈电存在近端功耗大且缺乏短路过流的有效保护手段，所以国际上越来越普遍地采用恒流馈电方式。它具有功耗不随环阻大小变化，短路自动过流保护等优点。目前有许多知名集成电路IC厂家如ERICSSON，AMD，AT&T，能提供具有此功能的比较成熟的集成电路。但在我国国内出于电路成本上的考虑，仍有较多厂家采用分立元件或厚膜电路方式实现恒流馈电，而这部分电路普遍存在电路元器件众多，结构复杂，加工困难，对直流电源要求高等问题。中国专利CN91201138.6公布的“用户线路接口恒流供电装置”，图4示出了该装置的电路图，由该图可见，它虽然解决了结构复杂的问题但仍存在以下不足之处(1)直流馈电电流由(2)脚正电源(7V)经Q1馈至话路，一方面增大了系统总功耗，因为实际馈电电压为7-(-48)＝55V，而非-48V，由于Q1的基极与运放IC4输出端相连，而IC4的输出端的直流电位是零伏，所以这部分增加的功耗并未提供给话路，而是白白损耗在三极管Q1上；另一方面对单路用户馈电正电源就需提供20～30mA的电流，增大了正电源负载，多路用户共用正电源时要求正电源输出功率较高。
(2)Q5的集电极(端子4)与端子7之间并联一大电容C，虽然起到交流短路Q5、R27、R28、R29这部分电路的等效电阻，实现双线话路平衡的作用，但同时也易将-48V电源的纹波引入话路形成噪音，所以对-48V的要求也高；(3)因为R2与R3共同实现用户接口阻抗匹配，同时串在直流馈电电路中，所以R2不可能很大，否则将影响馈电距离。一般说来R2小于500Ω，则由于电路仅在端子3单端恒流，因而在端子1接-48V时(220V碰线时次级限压保护电路动作将外线高层箝至馈电电压)，在电阻R2上将产生较大功耗P＝(-48)2/500≈5W，这样大的功耗极易引起电阻R2的烧毁，即使R2不烧毁，产生的高温也会引起R2阻值的较大变化。由于R2与R3共同实现阻抗匹配、反射、平衡度等指标的调整，R2阻值变化后必然引起这些指标变差，从而影响通话质量。
(4)图4所给电路实现邮电部部标---2K环阻馈电电流不小于18mA的要求时有较大缺陷。由于电路交、直流信号传输未隔离，且采用恒流馈电，则阻抗匹配电阻R2、R3降掉的直流电压基本上是一恒定值(馈电电流为恒定值)，不随环阻变化而变化。这一缺陷在近端馈电时尚不明显，但一旦话机处于远端，R2、R3上降掉的直流电压使得供给线路和话机的电压大大降低，从而影响了通话距离，按图4给出的电路计算，2K环阻时馈电电流肯定不足18mA。因IC4输出端直流电位为0V，则Q1的发射极电位为-0.7V，由于R2、R3必须实现话机阻抗匹配功能，以邮电部部标用户接口局机三元件阻抗(680Ω//0.1u+200Ω)为例，(R2+R3)的直流阻抗恒定为880Ω，则环阻2K时线路所能提供的最大电流为(48-0.7)V/(2000+880)Ω＝16.3mA
显然不能满足不小于18mA的邮电部标准。
由于我国国内用户话机距交换局较远，用户线路长仍是一个比较突出的现象，加上电力电网时常出现欠压、过压情况，势必造成馈电电源电压波动，所以有必要提供一种对馈电电压波动适应性强的馈电电路，它不仅在馈电电压为最常见的-48V时能正常馈电，即使电网欠压使馈电电源输出低于-48V时也能正常馈电。
此外，由于该装置的2/4线转换与直流馈电两部份电路混合在一起，交流低压部分与直流高压部分通过电阻分压连接在一起，一定程度上增大了电路复杂性。
本实用新型的目的就是为克服现有技术的上述缺陷，提供一种结构简单、成本低廉，对直流馈电电源要求低，受直流馈电电压波动影响小，双端恒流的无变压器式用户接口恒流馈电及2/4线转换装置。
为达到以上目的，本实用新型的2/4线转换及恒流馈电装置包括无变压器型2/4线转换部分，恒流馈电部分，用户线端(T、R)，馈电端(P和Vbat)，监视信号提取端(S)及模拟语音信号输入端(Vr)，输出端(Vx)，以及参考电位端(Vref)，其特征在于所述2/4线转换部分与恒流馈电部分在所述用户线端(T、R)上分别通过隔直流电容(C1，C2)相连。所述恒流馈电部分由对称连接在馈电端(P)与一个用户线端(T)以及另一用户线端(R)与所述监视信号提取端(S)之间的两个恒流单元构成。所述恒流馈电部分的每个单元包括两条支路，每条支路由至少一个晶体管(Q1，Q2，Q3，Q4)和与其串联的一个恒流控制电阻(R02，R04)或另一电阻(R01，R03)组成，以使所述晶体管与电阻成环形相间的方式分别连接所述馈电端(P)或所述监视信号提取端(S)与所述用户线端(T，R)，每条支路的晶体管(Q1，Q3，Q2，Q4)的控制极与另一支路的晶体管(Q2，Q4，Q1，Q3)和电阻的连接点相连。一个所述馈电端(P)可接-10至+10V之间的任一恒定直流电位。所述恒流馈电部分的所述晶体管(Q1，Q2，Q3，Q4)均为NPN型三极晶体管或均为PNP型三极晶体管。所述恒流馈电部分的所述晶体管可为NPN型三极晶体管与PNP型三极晶体管的组合。所述恒流馈电部分除与恒流控制电阻(R02，R04)并联的晶体管之外的晶体管(Q1，Q3)可为场效应管。所述恒流馈电部分中恒流控制电阻(R02、R04)的阻值最好在10Q-38Q的范围内。所述2/4线转换部分包括环形连接在所述模拟语音信号输入端(Vr)和参考电压端(Vref)之间的回波抵消网络，连到该回波抵消网络的运算放大器(AMP20)，连接在所述输出端(Vx)与所述运算放大器(AMP20)反相输入端(T-)之间的增益控制电阻(RG)和所述运算放大器(AMP20)正相输入端(T+)相连的匹配电阻(Rm)。所述回波抵消网络包括匹配话机阻抗的两个复阻抗(Z1，Z2)和四个回波抵消电阻(RL1、RL2、RL3、RL4)。所述回波抵消电阻(RL1、RL2、RL3、RL4)。与所述增益控制电阻(RG)，匹配电阻(Rm)的阻值存在适当比例关系，以使所述语音信号输入端(Vr)信号在运放两个输入端(T+，T-)的分量为同相同幅信号，相互抵消。所述回波抵消电阻(RL1-L4)与所述增益控制电阻(RG)，匹配电阻(Rm)的阻值满足以下等式2(RL3//RL4//RG)/RL3＝(RL1//RL2//Rm)×(1/RL2+3/RL1)所述回波抵消电阻的阻值均大于10KQ。所述参考电压端(Vref)为恒定直流电位或为所述语音信号输入端(Vr)的反相信号。所述回波抵消网络包括匹配话机阻抗的复阻抗(Z1，Z2)和一个阻容网络，以使所述语音信号输入端(Vr)信号在运放两个输入端(T+，T-)相互抵消。所述阻容网络包括并联连接的电阻和电容。所述阻容网络包括并联连接的电阻和电容及与其串联的电阻。在所述隔直流电容同所述2/4线转换部分相连端与接地端之间分别连接有过压保护器件。
因此，本实用新型的最大优点是在确保符合邮电部部标要求的同时获得了结构简单，成本低廉，对直流馈电电源要求低，受直流馈电电压波动影响小，设计参数调整简便，通话质量好和功耗低的良好效果。
现结合附图详细说明本实用新型的最佳实施例。附图中
图1为本实用新型的2/4线转换及恒流馈电装置的结构方框图；图2为本实用新型最佳实施例的电路原理图；图3为图2所示电路实施例的外形结构图；图4为一种现有技术的用户接口2/4线转换及恒流馈电装置的电路图；图5为本实用新型部分元件的替换方案示意图；图6为本实用新型另一种实施例的电路方框图；图7为本实用新型与编译码器(COMBO)的连接示意图。
参见图1，该图示出了本实用新型装置的结构方框，由该图可见，本实用新型装置包括用户端T和R，馈电端P和VBAT以及模拟信号输入端Vr和输出端Vx，并通过隔直流电容C1和C2将2/4线转换部分和恒流馈电部分连接起来以分隔交流低压部分和直流高压部分。
图2示出图1所示恒流馈电部分和2/4线转换部分的一个最佳实施电路。由图2可见本实用新型一个实施例的恒流馈电部份由三极管Q1、Q2、Q3、Q4及电阻R01、R02、R03、R04构成，T，R两端对称，实现双端恒流。以T端为例，馈电电流由两部份组成，一部份是流过电阻R02的电流I1，另一部份是流过Q2射极的电流I2。R02调整恒流馈电电流，由于R02并联在Q2的b、e极间，Q2导通时，b、e极正向压降基本恒定，所以I1基本恒定，即不随环路电阻的变化而变化。I2近似为话机摘机时R01上的压降产生的电流，随环阻增大而略有减少。由于R01阻值远远大于R02，取值通常在10K以上，所以电流I2变化与I1相比可以忽略，从而整个电路可看作恒流源，馈电电流不随环阻变化而改变。通过适当选取恒流馈电电流调整电阻R02的阻值，该阻值最好在10Ω～38Ω的范围内以在满足邮电部关于环阻2K时馈电电流不小于18mA要求的同时获得最佳恒流效果。
由于直流馈电电路中未串入直流阻抗恒定的阻抗匹配电阻，本实用新型所提供的恒流源在保证线路电流基本恒定的同时，加在其上的电压可以有较宽广的变化范围，从而有效地增大了馈电距离。由图2可见，恒流源上的电压等于Q2的b、e极压降加上Q1的b、e极压降加上R01上的压降，前两个电压基本恒定，为两个三极管的be结正向压降，而R01上的压降随环阻变化可以自动调节。话机在近端时，保证外线恒流所需电压低，则I1略微增大，使得R01上的电压增大，降低了提供给外线的电压；话机在远端时，保证外线恒流所需电压高，则I1略微降低，使得R01上的电压降低，提高了外线馈电电压，通过选取合适的R02阻值可保证了2K环阻时馈电电流不小于18mA。实际测试恒流源正常工作时(不饱和)最低仅需不到四伏的电压，而短线时可升至几十伏。由以上分析可见，在外线环阻不同的情况下，恒流源上的电压可根据环阻大小自动调节，且变化范围较宽，从而保证了在较宽外线环阻变化范围(0～2K)时馈电电流基本不变，恒流效果较好，克服了由于恒定电阻串在馈电电路中分压恒定对长线馈电的影响。
随线路环阻增大，加在恒流源上的电压降低，Q2和Q4有向饱和区变化的趋势，虽然T，R线采用完全相同的电路结构，双线平衡度极好，但由于三极管的特性不可能完全相同，所以环阻增大时，Q2，Q4同时向饱和方向变化，必有一管提前进入饱和态，从而造成线路不平衡，引起通话中的噪音。I2随环阻增大而略有减小，一定程度上补偿了Q2、Q4向饱和区变化的趋势，使双线平衡得以维持，从而可增大通话距离。
由于馈电电流可由P端接地提供，所以不仅有效地降低了正电源的负载，而且降低了系统的功耗。
由于恒流源有较宽的电压变化范围，电压从四伏至几十伏均可正常工作，所以在对2K环阻馈电时最低仅需4×2+1+2×18＝45V(其中1V为摘挂机检测电路导通时的压降)馈电电压越高，则外线距离可越长，因此即使出现电网欠压造成馈电电压减小，只要其直流输出高于45V，仍可满足2K环阻馈电电流不小于18mA的要求。
同理，可知R端恒流源电路的工作原理即R03、R04、Q3、Q4的作用分别与T端恒流源电路中的R01、R02、Q1、Q2相同，为保证良好的双线平衡度，R02与R04及R03与R01应分别相等。
由于馈电端P与监视信号提取端S的直流电位始终恒定，因此这两个端是交流地电位端，又由于T、R线采用对称的电路结构，用户线端子T、R分别到交流地端P、S的电路完全相同，所以双线平衡极好，又由于馈电电路近似为恒流源，因此对交流可等效为大电阻，从而有效地抑制了直流馈电系统纹波的影响，保证了良好的通话质量。
由于T、R双线均采用恒流源结构，因此无论是T线碰-48V还是R线碰地还是T、R线短路，电路中的器件均有完善的保护功能，不会有过热损坏或造成元器件性能参数变化导致通话质量变差的情况。
如图2所示，本实用新型的2/4线转换部分由运放AMP20、复阻抗Z1、Z2及电阻RL1、RL2、RL3、RL4、RG、Rm构成。复阻抗Z1、Z2起匹配话机阻抗的作用，同时与RL1、RL2、RL3、RL4共同构成回波抵消网络。Rm起运放输入端阻抗匹配的作用，RG控制去话增益。Vr为编译码器(COMB0)译码(D/A转换)后的模拟信号输出端。Vx为用户线发送至COMBO的编码器(A/D转换)的输入端的语音信号输出端。
以下简要说明本实用新型回波抵消功能的实现原理。
如图2所示，由数字程控交换机输出的数字信号经COMBO译码后转换为模拟语音信号，由不平衡二线Vr及地输出，在A点语音信号分成两部份一部份经匹配复阻抗Z1，接至点C，在C点又分成两部份，一部份经隔直电容C1传至平衡话路的T线，再由平衡话路的R线返回至另一匹配复阻抗Z2。另一部份经回波抵消电阻RL3、RL4接至发送运放AMP20的反相输入端T-，与A点输出的另一部份经RL1、RL2、Z2分压后输至运放AMP20的同相输入端T+的信号抵消。
为实现回波抵消功能，RL1、RL2、RL3、RL4、RG、Rm阻值的选取应保持合适比例关系，以使A点输出的语音信号在运放AMP20的两个输入端的分量为同幅、同相信号。
设Vr点输出交流信号为V(t)，则C点电位VC＝2/3V(t)，D点电位VD＝1/3V(t)，参考电压端Vref可看作地，则对于AMP20 T+端电位VT+、T-端电位VT-有VT+＝(RL1//RL2//Rm)×(1/RL2+3/RL1)×V(t)/3VT-＝2(RL3//RL4//RG)×V(t)/(3RL3)所以2(RL3//RL4//RG)/RL3＝(RL1//RL2//Rm)×(1/RL2+3/RL1)在上式左右两边近似或完全相等的情况下，Vr点的交流信号分别呈现在T+、T-端的分量在幅值相位上将近似或完全相同，这样，运放AMP20输出信号Vx中就不含有Vr点信号的分量，成功地抑制了来话语音信号对去话语音信号的干扰，实现了回波抑制。
由于上式是在假设RL1、RL2、RL3、RL4足够大，它们的分流对C、D点电位影响可忽略不计的条件下得出，而当RL1、RL2、RL3、RL4偏小时对C、D点电位会有一定影响，上式比例将不适用，而且阻值偏小将会带来回波抵消特性差且抵消效果随频率变化等缺点(因电路中带有电容)。为避免产生这样的问题，同时兼顾运放工作状态，这几个电阻取值应大于10KΩ。
去话增益调整的同时要兼顾话路的回波损耗指标，所以运放AMP20的放大倍数不能过大。否则由于上式的计算是理想状态下进行，实际上并不可能完全抵消，如果运放AMP20的增益过大，部分未被抵消的信号就会返回至话路的另一方，造成回波损耗性能差；同时运放AMP20增益过大将会放大系统中的噪声，引起总失真指标及噪声指标恶化。运放AMP20的增益通常应限制在小于等于5dB的范围内。
由于直流馈电与二—四线转换各成一个模块，因此指标调整方便。
图3示出按图2所示电路实施例制成的厚膜产品的外形结构，其中标有数字1—18引脚与图2相应数字端相连。
虽然以上已以最佳实施方式详细描述了本实用新型的主要特性和优点，但本实用新型的保护范围显然并不局限于以上实施例，而是包括本领域技术人员对上述创造构思可能作出的各种显而易见的替换方案，例如在本实用新型的其他实施例中，P端可接-10V到+10伏之间任一恒定直流电位，R线或/和T线恒流源电路中的三极管可换成PNP型，Q1、Q3可改为场效应管，运放AMP20可由COMBO中的运放担任，此时2/4线转换部分与COMBO的连接如图7所示。另Vref端也可不为恒定参考电位，其信号可由Vr端的信号经过反相得来，回波抵消电阻RL1、RL2、RL3、RL4部分或全部可由图5所示两种(a和b)电阻(R，R1，R2)和电容(C)连接方式或与之等效的阻容网络构成，但仍保持Vr输出端信号在T+、T-端相互抵消。由于电容C1、C2串接在交流话机中，而交换机传输的语音信号的频率低最高仅4000HZ，如果C1、C2的容值取得不够大，则C1、C2将对交流语音信号造成很大衰减，为降低电容对交流话路的影响，C1、C2的容值取值很大。但大容值的电容对于用户线上的瞬态电压冲击如雷击感应或碰线来说，相当于一个小阻抗，从而易将用户线瞬态电压冲击引到COMBO输入、输出端造成COMBO损坏。故为预防这一情况的出现，提高电路的可靠性，可如图6所示在C1、C2连接至2/4线转换部分加过压保护器件。
权利要求1.一种用户模块的2/4线转换及恒流馈电装置，包括无变压器型2/4线转换部分，恒流馈电部分，用户线端(T、R)，馈电端(P和Vbat)，监视信号提取端(S)及模拟语音信号输入端(Vr)，输出端(Vx)，以及参考电位端(Vref)，其特征在于所述2/4线转换部分与恒流馈电部分在所述用户线端(T、R)上分别通过隔直流电容(C1，C2)相连。
2.如权利要求1的所述装置，其特征在于所述恒流馈电部分由对称连接在馈电端(P)与一个用户线端(T)以及另一用户线端(R)与所述监视信号提取端(S)之间的两个恒流单元构成。
3.如权利要求2的所述装置，其特征在于所述恒流馈电部分的每个单元包括两条支路，每条支路由至少一个晶体管(Q1，Q2，Q3，Q4)和与其串联的一个恒流控制电阻(R02，R04)或另一电阻(R01，R03)组成，以使所述晶体管与电阻成环形相间的方式分别连接所述馈电端(P)或所述监视信号提取端(S)与所述用户线端(T，R)，每条支路的晶体管(Q1，Q3，Q2，Q4)的控制极与另一支路的晶体管(Q2，Q4，Q1，Q3)和电阻的连接点相连。
4.如权利要求2的所述装置，其特征在于一个所述馈电端(P)可接-10至+10V之间的任一恒定直流电位。
5.如权利要求2的所述装置，其特征在于所述恒流馈电部分的所述晶体管(Q1，Q2，Q3，Q4)均为NPN型三极晶体管或均为PNP型三极晶体管。
6.如权利要求2的所述装置，其特征在于所述恒流馈电部分的所述晶体管可为NPN型三极晶体管与PNP型三极晶体管的组合。
7.如权利要求3的所述装置，其特征在于所述恒流馈电部分除与恒流控制电阻(R02，R04)并联的晶体管之外的晶体管(Q1，Q3)可为场效应管。
8.如权利要求3所述装置，其特征在于所述恒流馈电部分中恒流控制电阻(R02、R04)的阻值最好在10Ω-38Ω的范围内。
9.如权利要求1所述装置，其特征在于所述2/4线转换部分包括环形连接在所述模拟语音信号输入端(Vr)和参考电压端(Vref)之间的回波抵消网络，连到该回波抵消网络的运算放大器(AMP20)，连接在所述输出端(Vx)与所述运算放大器(AMP20)反相输入端(T-)之间的增益控制电阻(RG)和所述运算放大器(AMP20)正相输入端(T+)相连的匹配电阻(Rm)。
10.如权利要求9所述装置，其特征在于所述回波抵消网络包括匹配话机阻抗的两个复阻抗(Z1，Z2)和四个回波抵消电阻(RL1、RL2、RL3、RL4)
11.如权利要求10的所述装置，其特征在于所述回波抵消电阻(RL1、RL2、RL3、RL4)与所述增益控制电阻(RG)，匹配电阻(Rm)的阻值存在适当比例关系，以使所述语音信号输入端(Vr)信号在运放两个输入端(T+，T-)的分量为同相同幅信号，相互抵消。
12.如权利要求11的所述装置，其特征在于所述回波抵消电阻(RL1-L4)与所述增益控制电阻(RG)，匹配电阻(Rm)的阻值满足以下等式2(RL3//RL4//RG)/RL3＝(RL1//RL2//Rm)×(1/RL2+3/RL1)
13.如权利要求12的所述装置，其特征在于所述回波抵消电阻的阻值均大于10KΩ。
14.如权利要求9所述装置，其特征在于所述参考电压端(Vref)为恒定直流电位或为所述语音信号输入端(Vr)的反相信号。
15.如权利要求9的所述装置，其特征在于所述回波抵消网络包括匹配话机阻抗的复阻抗(Z1，Z2)和一个阻容网络，以使所述语音信号输入端(Vr)信号在运放两个输入端(T+，T-)相互抵消。
16.如权利要求15的所述装置，其特征在于所述阻容网络包括并联连接的电阻和电容。
17.如权利要求15的所述装置，其特征在于所述阻容网络包括并联连接的电阻和电容及与其串联的电阻。
18.如1至17之任一权利要求的所述装置，其特征在于在所述隔直流电容同所述2/4线转换部分相连端与接地端之间分别连接有过压保护器件。
专利摘要用户模块的2/4线转换及恒流馈电装置,本实用新型采用隔直流电容连接上述两部分,恒流馈电部分为相对于T,R端子的全对称电路结构,以实现平衡双端恒流;2/4线转换部分由电阻组成的回波抵消网络和增益控制与阻抗匹配电阻,通过适当选择这些阻值的比例关系可理想地实现回波抵消功能。本实用新型具有结构简单,成本低廉,对直流馈电电源要求低,受直流馈电电压波动影响小,调整简便等优点。
文档编号H02M3/00GK2273471SQ96205858
公开日1998年1月28日 申请日期1996年4月10日 优先权日1996年4月10日
发明者康云峰 申请人:深圳市华为技术有限公司