一种取消音频变压器的模拟中继电路的制作方法

本发明涉及通信及模拟音频信号处理，尤其涉及一种取消音频变压器的模拟中继电路，可应用于音频公务、磁石电话、模拟中继接口等需要高压隔离的音频信号传输场景。

背景技术：

1、目前，音频信号的主流传输耦合方式分为三种：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合，三种方式各有适用场景与技术局限。

2、在无需电气隔离的场景中，通常选用直接耦合方式，该方式频率传输特性最优，信号失真小；在隔离要求较低、电磁干扰较弱的场景中，通常选用阻容耦合方式，电路结构简洁，器件成本低廉；在高隔离耐压要求、强电力线共模干扰的工业及通信场景中，通常选用变压器耦合方式，该方式隔离效果好、抗干扰能力强，是目前模拟中继电路的主流方案。

3、针对变压器耦合方案，其核心器件为音频变压器。模拟中继电路需传输的音频信号频率范围为300hz~3400hz，为满足低频信号的传输要求，变压器绕组电感量需达到亨利级别；同时为满足高压隔离要求，变压器磁芯骨架、绕组绝缘间距需满足安规要求，线圈匝数无法缩减，直接导致音频变压器无法实现微型化。

4、音频变压器的磁芯材料历经三代迭代：初始阶段采用硅钢片磁芯，满足音频传输要求的最小体积为ee20规格；过渡阶段采用铁氧体磁芯，最小体积可缩减至ee13规格，但存在高频调制干扰问题；当前实用阶段采用镍钢片磁芯，最小体积仍需达到ed-8规格（14mm*8mm*4.4mm），仍是模拟中继电路中体积最大的器件。

5、除此之外，音频变压器还存在制造成本高、生产效率低的缺陷：硅钢片、镍钢片均为贵金属材料，原材料成本高；镍钢片磁芯无法通过自动化设备完成装配，需人工逐片插装，生产效率受限，成本无法进一步降低。同时，受限于音频变压器的体积，现有模拟中继产品无法实现与其他通信产品的脚位兼容，严重制约了产品的小型化、集成化发展。

6、现有技术中，阻容耦合方案虽可规避变压器的体积缺陷，但为满足低频音频信号的传输要求，需采用大容量耦合电容，而同时满足高压隔离要求的大容量电容体积同样较大，无法实现微型化；且300hz~3400hz的音频信号频率与50hz工频干扰频率处于同一量级，阻容耦合无法实现有效区分，抗共模干扰能力极差，无法应用于强干扰场景。

技术实现思路

1、针对现有技术中变压器耦合方案存在的体积大、成本高、无法微型化，以及阻容耦合方案抗干扰能力差、无法满足高压隔离要求的缺陷，本发明的目的在于提供一种取消音频变压器的模拟中继电路，在实现 1000v 以上高压隔离、300v 以上电力线共模干扰抑制的前提下，完全取消音频变压器，大幅缩减电路体积与制造成本，同时完整实现模拟中继电路所需的摘挂机控制、2/4 线消侧音变换、铃流检测全功能，推动音频中继产品的小型化发展。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种取消音频变压器的模拟中继电路，包括pwm调制单元、高压隔离耦合单元、解调单元、模拟摘挂机控制单元、2/4线变换单元、铃流检测单元以及辅助电源单元；

4、所述pwm调制单元包括反相器u4b、反相器u5c、反相器u5a，用于将输入的模拟音频信号与高频载波三角波信号叠加，调制生成脉宽随模拟音频信号幅值变化的高频pwm信号；

5、所述高压隔离耦合单元包括高压贴片电容c14、高压贴片电容c20、高压贴片电容c10，所述高压贴片电容c14的输入端与反相器u4b的输出端连接，高压贴片电容c20的输入端与反相器u5c的输出端连接，高压贴片电容c10的输入端与反相器u5a的输出端连接，用于对所述高频pwm信号进行隔离传输，同时实现线路侧与设备侧的高压隔离及工频共模干扰抑制；

6、所述解调单元包括电阻r26、电容c12、电阻r35、电容c21，所述电阻r26与电容c12串联接地构成第一路rc低通滤波电路，其输入端与高压贴片电容c14的输出端连接，所述电阻r35与电容c21串联接地构成第二路rc低通滤波电路，其输入端与高压贴片电容c20的输出端连接，所述解调单元用于对隔离传输后的高频pwm信号进行解调，还原得到模拟音频信号；

7、所述2/4线变换单元包括运算放大器u6a、运算放大器u6b、运算放大器u7a、运算放大器u7b，所述运算放大器u6a的输出端与pwm调制单元的反相器u4b输入端连接，运算放大器u7a的输入端与解调单元的第一路rc低通滤波电路输出端连接，运算放大器u7b的输出端与pwm调制单元的反相器u5c输入端连接，运算放大器u6b的输入端与解调单元的第二路rc低通滤波电路输出端连接，用于实现2线音频线路与4线收发通道之间的信号转换与消侧音处理；

8、所述模拟摘挂机控制单元包括高压开关芯片u8、整流二极管d6、电容c11、电阻r18、逻辑控制电路、二极管d7、三极管q3、整流器d5，所述整流二极管d6的阳极与电容c11、电阻r38、逻辑控制电路连接，整流二极管d6的阴极与反相器u4的输出端连接，逻辑控制电路的输出端与高压开关芯片u8的控制端连接，高压开关芯片u8串联在整流器d5的输出端负极，整流器d5的输入端连接线路侧tip/ring接口，所述三极管q3的集电极连接在整流器d5的输出端正极，构成直流低阻抗、交流高阻抗的模拟负载电路，所述模拟摘挂机控制单元用于根据摘挂机控制信号实现线路侧直流回路的通断控制；

9、所述铃流检测单元包括幅度检波电路，所述幅度检波电路的输入端与解调单元的第一路rc低通滤波电路输出端连接，用于根据还原后的信号检测线路侧的铃流信号并输出对应的检测逻辑电平shk；

10、所述辅助电源单元包括开关管q2、脉冲变压器b1、整流二极管d4、电容c7、电容c8、稳压芯片u9，所述开关管q2的栅极接入高频方波信号，开关管q2的漏极与脉冲变压器b1的原边绕组一端连接，脉冲变压器b1的原边绕组另一端接入输入电源vcc，脉冲变压器b1的副边绕组一端与整流二极管d4的阳极连接，整流二极管d4的阴极与电容c8的一端及接地端连接，二极管d4的阳极与稳压芯片u9连接，所述辅助电源单元用于为所述pwm调制单元、解调单元及各运算放大单元提供隔离直流供电。

11、作为本发明的进一步技术方案：所述pwm调制单元包括至少一路反相器调制电路；所述反相器调制电路的输入端同时叠加直流中点电位vref、待传输的模拟音频信号以及高频载波三角波信号，输出端输出脉宽随模拟音频信号幅值变化的高频pwm信号。

12、作为本发明的进一步技术方案：所述高频载波三角波信号的频率不低于340khz，且所述高频载波三角波信号的频率为待传输模拟音频信号最高频率的10倍以上。

13、作为本发明的进一步技术方案：所述反相器调制电路包括反相器u4b、电阻r25、电容c13；直流中点电位vrefa与待传输的模拟音频信号通过电阻r25接入反相器u4b的输入端，高频载波三角波fs_a通过电容c13接入反相器u4b的输入端。

14、作为本发明的进一步技术方案：所述高压隔离耦合单元的高压贴片电容c14、c20、c10均为皮法级高压电容，耐压值不低于1000v，封装尺寸不大于0805。

15、作为本发明的进一步技术方案：所述解调单元的rc低通滤波电路，截止频率高于待传输模拟音频信号的最高频率，且低于高频载波三角波信号的频率。

16、作为本发明的进一步技术方案：所述模拟摘挂机控制单元的高压开关芯片u8，采用集成瞬态过流保护功能的高压光耦替代芯片，芯片内部集成过流检测与自恢复单元，当回路电流超过100ma时可在1μs内断开，断开状态下可承受600v以上电压。

17、作为本发明的进一步技术方案：所述2/4线变换单元包括接收通道与发送通道；所述接收通道为2线到4线通道，依次连接线路侧tip/ring接口、运算放大器u6a、反相器u4b构成的第一pwm调制单元、高压贴片电容c14构成的第一高压隔离耦合单元、电阻r26与电容c12构成的第一解调单元、运算放大器u7a，最终输出4线接收信号vout；所述发送通道为4线到2线通道，依次连接4线发送信号vin输入端、运算放大器u7b、反相器u5c构成的第二pwm调制单元、高压贴片电容c20构成的第二高压隔离耦合单元、电阻r35与电容c21构成的第二解调单元、运算放大器u6b，最终连接至线路侧tip/ring接口；所述2/4线变换单元通过匹配阻抗参数实现发送通道到接收通道的信号抵消，完成消侧音处理。

18、作为本发明的进一步技术方案：所述铃流检测单元的幅度检波电路，当线路侧存在铃流信号时，输出低电平检测信号，当线路侧无铃流信号时，输出高电平检测信号。

19、作为本发明的进一步技术方案：所述辅助电源单元的脉冲变压器b1采用smd-6p贴片封装。

20、本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

21、1、完全取消传统模拟中继电路中的音频变压器，通过“低频音频信号pwm高频调制-高压电容隔离传输-解调还原”的技术路径，替代了音频变压器的隔离传输功能，电路最大器件为3.5mm*3.2mm*3mm的微型脉冲变压器，整体体积较传统方案缩减80%以上，解决了行业内长期存在的模拟中继电路无法微型化的痛点，可实现与其他通信产品的脚位兼容。

22、2、大幅降低制造成本，省去了贵金属磁芯、需人工装配的音频变压器，电路全部采用自动化贴装的通用贴片器件，原材料成本与生产制造成本显著降低，生产效率大幅提升。

23、3、实现优异的高压隔离与抗干扰性能，皮法级高压耦合电容可轻松满足1000v以上的隔离耐压要求，同时对50hz工频共模干扰呈现145mω以上的高阻抗，抗干扰能力优于传统变压器耦合方案，可应用于强电力线干扰的恶劣场景。

24、4、功能完整性强，在取消音频变压器的同时，完整实现了模拟中继电路所需的模拟摘挂机控制、2/4线消侧音变换、铃流检测、来电显示传输全功能，可直接替代现有传统模拟中继电路，无需更改外围应用方案。

25、5、电路可靠性高，采用集成瞬态过流保护功能的高压开关芯片，替代传统方案中的高压光耦与外置保护电路，内置1μs级过流断开保护，可承受600v断开电压，大幅提升了电路的抗雷击、抗电力线触碰的防护能力。