CN113225035A - 负反馈系统架构及其环路滤波器 - Google Patents

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CN113225035A CN202010248878.2A CN202010248878A CN113225035A CN 113225035 A CN113225035 A CN 113225035A CN 202010248878 A CN202010248878 A CN 202010248878A CN 113225035 A CN113225035 A CN 113225035A
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capacitor
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李祐安
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Abstract

本公开提供一种负反馈系统架构及其环路滤波器。负反馈系统架构包含一环路滤波器、一脉冲宽度调制电路及一驱动器。环路滤波器包含三级串联的积分器，用以接收信号并进行滤波后输出，环路滤波器具有三个频宽内极点及至少两个频宽内零点。脉冲宽度调制电路电性连接环路滤波器，用以接收滤波后的信号并调制成一脉冲宽度调制信号后输出。驱动器电性连接脉冲宽度调制电路及环路滤波器，用以接收脉冲宽度调制信号并产生一输出信号推动一负载装置，且输出信号被反馈至环路滤波器。

Description

负反馈系统架构及其环路滤波器
技术领域
本公开涉及一种音频放大器(Audio Amplifier)，特别涉及一种具有单一反馈路径的负反馈系统架构及其环路滤波器。
背景技术
现有的放大器可分为A类放大器、B类放大器、AB类放大器、C类放大器及D类放大器，其中由于半导体技术的蓬勃发展，所以低功耗、高性能的D类放大器已被广泛应用在音频功率放大电路等领域，以便将音源信号放大并推动负载喇叭。
在D类音频放大器中，为了增加信号噪声失真比(signal to noise anddistortion ratio，SNDR)，常使用反馈架构，利用其环路增益来抑制噪声与失真，且一般而言环路的阶数愈大，环路增益越大，信号噪声失真比会愈高，但常会有稳定度上问题。因此，在D类音频放大器能提供一个足够且稳定的环路增益是亟需的。
发明内容
有鉴于此，本公开提出一种负反馈系统架构，包含：一环路滤波器、一脉冲宽度调制电路及一驱动器。环路滤波器包含三级串联的积分器，用以接收信号并进行滤波后输出，环路滤波器具有三个频宽内极点及至少两个频宽内零点。脉冲宽度调制电路电性连接环路滤波器，用以接收滤波后的信号并调制成一脉冲宽度调制信号后输出。驱动器电性连接脉冲宽度调制电路及环路滤波器，用以接收脉冲宽度调制信号并产生一输出信号推动一负载装置，且输出信号反馈至环路滤波器。
本公开另外提出一种环路滤波器，包含三级串联的积分器，此三级串联的积分器包含一第一级积分器、一第二级积分器及一第三级积分器，第一级积分器电性连接第二级积分器且接收反馈的一输出信号，第二级积分器电性连接第三级积分器，第三级积分器电性连接一脉冲宽度调制电路，三级串联的积分器具有三个频宽内极点及至少两个频宽内零点。
综上所述，本公开利用三级串联的积分器配合频宽内极点与频宽内零点的设计，可以得到提升且稳定的环路增益(loop gain)，进而提高环路对失真与噪声的抑制能力，以获得优选的输出线性度及抗噪声表现。
附图说明
图1是根据本公开负反馈系统架构的一实施例的方框示意图。
图2(A)～图2(D)是根据本公开的第一级积分器的各实施例的电路示意图。
图3(A)～图3(D)是根据本公开的第二级积分器的各实施例的电路示意图。
图4(A)～图4(D)是根据本公开的第三级积分器的各实施例的电路示意图。
图5是根据本公开的环路滤波器的一实施例的电路示意图。
符号说明
1：负反馈系统架构
10：环路滤波器
12：第一级积分器
122：第一差分放大器
124、124'：第一电阻电容电路
14：第二级积分器
142：第二差分放大器
144、144'：第二电阻电容电路
16：第三级积分器
162：第三差分放大器
164、164'：第三电阻电容电路
20：脉冲宽度调制电路
30：驱动器
40：喇叭
C1、C1'：第一电容
C2、C2'：第二电容
C3、C3'：第三电容
C4、C4'：第四电容
C5、C5'：第五电容
C6、C6'：第六电容
R1、R1'：第一电阻
R2、R2'：第二电阻
R3、R3'：第三电阻
R4、R4'：第四电阻
R5、R5'：第五电阻
R6、R6'：第六电阻
RFB、RFB'：反馈电阻
VIN+、VIN-：输入信号
VLF+、VLF-：滤波后的信号
VPWM+、VPWM-：脉冲宽度调制信号
VO+、VO-：输出信号
具体实施方式
图1是根据本公开负反馈系统架构的一实施例的方框示意图，请参阅图1所示，一负反馈系统架构1是可将输入信号VIN+、VIN-放大并推动作为负载装置的一喇叭40，且此输入信号VIN+、VIN-为一差分信号。在一实施例中，负反馈系统架构1应用在一D类音频放大器，亦即本公开可为D类音频放大器中的负反馈系统架构。负反馈系统架构1包含一环路滤波器10、一脉冲宽度调制电路20以及一驱动器30。环路滤波器10包含三级串联的积分器，用以接收一信号并进行滤波后，以输出滤波后的信号VLF+、VLF-，其中接收的信号为初始时的输入信号VIN+、VIN-，或是开始反馈后，输入信号VIN+、VIN-与反馈的输出信号VO+、VO-相减后的信号。此环路滤波器10具有三个频宽内极点及至少两个频宽内零点，其中三个频宽内极点可以产生最高的环路增益，至少两个频宽内零点则可使相位增加，以获得足够的相位裕度(phasemargin)维持系统稳定度。脉冲宽度调制电路20电性连接环路滤波器10，用以接收滤波后的信号VLF+、VLF-并将其调制成一脉冲宽度调制信号VPWM+、VPWM-后输出。驱动器30电性连接脉冲宽度调制电路20及环路滤波器10，用以接收脉冲宽度调制信号VPWM+、VPWM-，驱动器30根据脉冲宽度调制信号VPWM+、VPWM-产生一输出信号VO+、VO-以推动喇叭40播放，且输出信号VO+、VO-进一步反馈至环路滤波器10，以形成单一负反馈路径。
在环路滤波器10中，三级串联的积分器包含一第一级积分器12、一第二级积分器14及一第三级积分器16，第一级积分器12电性连接第二级积分器14且接收反馈的输出信号VO+、VO-，第二级积分器14电性连接第三级积分器16，第三级积分器16电性连接至脉冲宽度调制电路20。
图2(A)～图2(D)是根据本公开的第一级积分器的各实施例的电路示意图，请同时参阅图2(A)～图2(D)所示，在一实施例中，第一级积分器12包含一第一差分放大器122以及两个第一电阻电容电路(RC circuit)124、124’，第一差分放大器122具有一第一反相输入端(-)、一第一非反相输入端(+)、一第一反相输出端(-)及一第一非反相输出端(+)，第一电阻电容电路124电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)及第一非反相输出端(+)之间，另一第一电阻电容电路124'电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)及第一反相输出端(-)之间。其中，第一电阻电容电路124、124'是由电阻及电容等元件所组成，并依据不同元件数量与连接关系而具有不同的实施方式。
如图2(A)所示，第一电阻电容电路124包含一第一电阻R1及一第一电容C1，第一电阻R1电性连接第一差分放大器122的第一反相输入端(-)，且第一电容C1电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)及第一非反相输出端(+)之间。另一第一电阻电容电路124'包含一第一电阻R1'及一第一电容C1'，第一电阻R1'电性连接第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)，且第一电容C1'电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)及第一反相输出端(-)之间。采用此第一电阻电容电路124的第一级积分器12的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000051
有一个频宽内极点。
如图2(B)所示，第一电阻电容电路124包含一第二电阻R2、一第二电容C2及一第三电容C3，第二电阻R2并联第二电容C2并电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)，第三电容C3电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)及第一非反相输出端(+)之间。另一第一电阻电容电路124'包含一第二电阻R2'、一第二电容C2'及一第三电容C3'，第二电阻R2'并联第二电容C2'并电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)，第三电容C3'电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)及第一反相输出端(-)之间。采用此第一电阻电容电路124的第一级积分器12的转移函数(transferfunction)为
Figure BDA0002434792140000052
有一个频宽内极点及一个频宽内零点。
如图2(C)所示，第一电阻电容电路124包含一第三电阻R3、一第四电容C4及一第四电阻R4，第三电阻R3电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)，且第四电容C4串联第四电阻R4并电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)及第一非反相输出端(+)之间。另一第一电阻电容电路124’包含一第三电阻R3'、一第四电容C4'及一第四电阻R4'，第三电阻R3'电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)，且第四电容C4'串联第四电阻R4'并电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)及第一反相输出端(-)之间。采用此第一电阻电容电路124的第一级积分器12的转移函数(transferfunction)为
Figure BDA0002434792140000061
有一个频宽内极点及一个频宽内零点。
如图2(D)所示，第一电阻电容电路124包含一第五电阻R5、一第五电容C5、一第六电阻R6及一第六电容C6，第五电阻R5并联第五电容C5并电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)，且第六电容C6串联第六电阻R6并电性连接至第一差分放大器122的第一反相输入端(-)及第一非反相输出端(+)之间。第一电阻电容电路124'包含一第五电阻R5'、一第五电容C5'、一第六电阻R6'及一第六电容C6'，第五电阻R5'并联第五电容C5'并电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)，且第六电容C6'串联第六电阻R6'并电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)及第一反相输出端(-)之间。采用此第一电阻电容电路124的第一级积分器12的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000062
有一个频宽内极点及两个频宽内零点。
图3(A)～图3(D)是根据本公开的第二级积分器的各实施例的电路示意图，请同时参阅图3(A)～图3(D)所示，在一实施例中，第二级积分器14包含一第二差分放大器142以及两个第二电阻电容电路144、144'，第二差分放大器142具有一第二反相输入端(-)、一第二非反相输入端(+)、一第二反相输出端(-)及一第二非反相输出端(+)，第二电阻电容电路144电性连接至第二差分放大器142的第二反相输入端(-)及第二非反相输出端(+)之间，另一第二电阻电容电路144'电性连接至第二差分放大器142的第二非反相输入端(+)及第二反相输出端(-)之间。其中，第二电阻电容电路144、144'亦由电阻及电容等元件所组成，并依据不同元件数量与连接关系而具有不同的实施方式，第二电阻电容电路144、144'的实施方式如图3(A)～图3(D)所示，除了使用第二差分放大器142以及第二电阻电容电路144、144'取代图2(A)～图2(D)所示的第一差分放大器122及第一电阻电容电路124、124'之外，其余结构与连接关系皆相同，故可参考前面的详细说明，于此不再赘述。因此，图3(A)所示的第二级积分器14的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000071
有一个频宽内极点。图3(B)所示的第二级积分器14的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000072
有一个频宽内极点及一个频宽内零点。图3(C)所示的第二级积分器14的转移函数(transferfunction)为
Figure BDA0002434792140000073
有一个频宽内极点及一个频宽内零点。图3(D)所示的第二级积分器14的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000074
有一个频宽内极点及两个频宽内零点。
图4(A)～图4(D)是根据本公开的第三级积分器的各实施例的电路示意图，请同时参阅图4(A)～图4(D)所示，在一实施例中，第三级积分器16包含一第三差分放大器162以及两个第三电阻电容电路164、164'，第三差分放大器162具有一第三反相输入端(-)、一第三非反相输入端(+)、一第三反相输出端(-)及一第三非反相输出端(+)，第三电阻电容电路164电性连接至第三差分放大器162的第三反相输入端(-)及第三非反相输出端(+)之间，另一第三电阻电容电路164'电性连接至第三差分放大器162的第三非反相输入端(+)及第三反相输出端(-)之间。其中，第三电阻电容电路164、164'由电阻及电容等元件所组成，并依据不同元件数量与连接关系而具有不同的实施方式，第三电阻电容电路164、164'的实施方式如图4(A)～图4(D)所示，除了使用第三差分放大器162以及第三电阻电容电路164、164'取代图2(A)～图2(D)所示的第一差分放大器122及第一电阻电容电路124、124'之外，其余结构与连接关系皆相同，故可参考前面的详细说明，于此不再赘述。因此，图4(A)所示的第三级积分器16的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000081
有一个频宽内极点。图4(B)所示的第三级积分器16的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000082
有一个频宽内极点及一个频宽内零点。图4(C)所示的第三级积分器16的转移函数(transferfunction)为
Figure BDA0002434792140000083
有一个频宽内极点及一个频宽内零点。图4(D)所示的第三级积分器16的转移函数(transfer function)为
Figure BDA0002434792140000084
有一个频宽内极点及两个频宽内零点。
在一实施例中，如图1所示，由于第一级积分器12可以选自图2(A)～图2(D)所示的电路结构，第二级积分器14可以选自图3(A)～图3(D)所示的电路结构，第三级积分器16可以选自图4(A)～图4(D)所示的电路结构，因此，环路滤波器10理论上应该会有4*4*4＝64个结构组合，但环路滤波器10必须具有三个频宽内极点及至少两个频宽内零点，所以会有7种结构组合的频宽内零点小于两个而无法使用，包含图2(A)、图3(A)及图4(A)的组合，图2(A)、图3(A)及图4(B)的组合，图2(A)、图3(A)及图4(C)的组合，图2(A)、图3(B)及图4(A)的组合，图2(A)、图3(C)及图4(A)的组合，图2(B)、图3(A)及图4(A)的组合，以及图2(C)、图3(A)及图4(A)的组合等。因此，环路滤波器10总共会有57个结构组合可以使用。
图5是根据本公开的环路滤波器的一实施例的电路示意图，请参阅图5所示的一实施例，在此环路滤波器10中，本公开选择使用图2(A)的结构作为第一级积分器12，图3(B)的结构作为第二级积分器14，图4(D)的结构作为第三级积分器16，以组成三级串联的积分器。如图5所示，在第一级积分器12中，第一电阻电容电路124的第一电阻R1一端电性连接第一差分放大器122的第一反相输入端(-)，另一端接收输入信号VIN+，第一电容C1电性连接第一差分放大器122的第一反相输入端(-)及第一非反相输出端(+)之间；第一电阻电容电路124'的第一电阻R1’的一端电性连接第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)，另一端接收输入信号VIN-，且第一电容C1'电性连接第一差分放大器122的第一非反相输入端(+)及第一反相输出端(-)之间，其中第一差分放大器122的第一反相输入端(-)及第一非反相输入端(+)还分别电性连接一反馈电阻RFB、RFB'，以分别接收反馈的输出信号VO-、VO+。在第二级积分器14中，第二电阻电容电路144的第二电阻R2并联第二电容C2并电性连接至第一差分放大器122的第一非反相输出端(+)及第二差分放大器142的第二反相输入端(-)之间，第三电容C3电性连接至第二差分放大器142的第二反相输入端(-)及第二非反相输出端(+)之间；同理，第二电阻电容电路144'的第二电阻R2'并联第二电容C2'并电性连接至第一差分放大器122的第一反相输出端(-)及第二差分放大器142的第二非反相输入端(+)之间，第三电容C3'电性连接至第二差分放大器142的第二非反相输入端(+)及第二反相输出端(-)之间。在第三级积分器16中，第三电阻电容电路164的第五电阻R5并联第五电容C5并电性连接至第二差分放大器142的第二非反相输出端(+)及第三差分放大器162的第三反相输入端(-)之间，且第六电容C6串联第六电阻R6并电性连接至第三差分放大器162的第三反相输入端(-)及第三非反相输出端(+)之间；第三电阻电容电路164'的第五电阻R5’并联第五电容C5'并电性连接至第二差分放大器142的第二反相输出端(-)及第三非反相输入端(+)之间，且第六电容C6'串联第六电阻R6'并电性连接至第三差分放大器162的第三非反相输入端(+)及第三反相输出端(-)之间，因此，第三差分放大器162的第三非反相输出端(+)及第三反相输出端(-)可以分别输出滤波后的信号VLF+、VLF-。
承上，此环路滤波器10的环路转移函数(loop transfer function)可以表示为
Figure BDA0002434792140000101
所以此环路滤波器10具有三个频宽内极点及三个频宽内零点，三个频宽内极点可以让此环路滤波器10于频宽内具有-20*3＝-60dB/decade的斜率，以产生最高的频宽内环路增益，三个频宽内零点则可以获得较高的相位裕度。
当然，图5所示的环路滤波器10仅为举例，本发明并不以此为限，只要将环路滤波器10所需的第一级积分器12、第二级积分器14及第三级积分器16串接在一起，且满足三个频宽内极点与至少两个频宽内零点的电路设计，均属本发明的范围。
因此，本公开利用三级串联的积分器(第一级积分器、第二级积分器及第三级积分器)配合三个频宽内极点与至少两个频宽内零点的设计，可以得到提升且稳定的环路增益，进而提高环路对失真与噪声的抑制能力，以获得优选的输出线性度及抗噪声表现。
以上所述的实施例仅为说明本公开的技术思想及特点，其目的在于使本领域技术人员能够了解本公开的内容并据以实施，当不能以之限定本公开的权利要求，即凡依本公开所公开的构思所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本公开的权利要求内。

Claims (10)

1.一种负反馈系统架构，包含：
一环路滤波器，包含三级串联的积分器，用以接收一信号并进行滤波后输出，该环路滤波器具有三个频宽内极点及至少两个频宽内零点；
一脉冲宽度调制电路，电性连接该环路滤波器，用以接收滤波后的该信号并调制成一脉冲宽度调制信号后输出；以及
一驱动器，电性连接该脉冲宽度调制电路及该环路滤波器，用以接收该脉冲宽度调制信号并产生一输出信号推动一负载装置，且该输出信号被反馈至该环路滤波器。
2.如权利要求1所述的负反馈系统架构，其中该三级串联的积分器包含一第一级积分器、一第二级积分器及一第三级积分器，该第一级积分器电性连接该第二级积分器且接收反馈的该输出信号，该第二级积分器电性连接该第三级积分器，该第三级积分器电性连接该脉冲宽度调制电路。
3.如权利要求2所述的负反馈系统架构，其中该第一级积分器还包含：
一第一差分放大器，具有一第一反相输入端、一第一非反相输入端、一第一反相输出端及一第一非反相输出端；以及
两个第一电阻电容电路，其中一个所述第一电阻电容电路电性连接至该第一差分放大器的该第一反相输入端及该第一非反相输出端，另一个所述第一电阻电容电路电性连接至该第一差分放大器的该第一非反相输入端及该第一反相输出端。
4.如权利要求3所述的负反馈系统架构，其中该第一电阻电容电路能选自下列的其中之一：
一第一电阻及一第一电容，该第一电阻电性连接该第一反相输入端或该第一非反相输入端，且该第一电容电性连接该第一反相输入端及该第一非反相输出端之间或该第一非反相输入端及该第一反相输出端之间；
一第二电阻、一第二电容及一第三电容，该第二电阻并联该第二电容并电性连接该第一反相输入端或该第一非反相输入端，该第三电容电性连接该第一反相输入端及该第一非反相输出端之间或该第一非反相输入端及该第一反相输出端之间；
一第三电阻、一第四电容及一第四电阻，该第三电阻电性连接该第一反相输入端或该第一非反相输入端，且该第四电容串联该第四电阻并电性连接该第一反相输入端及该第一非反相输出端之间或该第一非反相输入端及该第一反相输出端之间；以及
一第五电阻、一第五电容、一第六电阻及一第六电容，该第五电阻并联该第五电容并电性连接该第一反相输入端或该第一非反相输入端，且该第六电容串联该第六电阻并电性连接该第一反相输入端及该第一非反相输出端之间或该第一非反相输入端及该第一反相输出端之间。
5.如权利要求2所述的负反馈系统架构，其中该第二级积分器还包含：
一第二差分放大器，具有一第二反相输入端、一第二非反相输入端、一第二反相输出端及一第二非反相输出端；以及
两个第二电阻电容电路，其中一个所述第二电阻电容电路电性连接至该第二差分放大器的该第二反相输入端及该第二非反相输出端，另一个所述第二电阻电容电路电性连接至该第二差分放大器的该第二非反相输入端及该第二反相输出端。
6.如权利要求5所述的负反馈系统架构，其中该第二电阻电容电路能选自下列的其中之一：
一第一电阻及一第一电容，该第一电阻电性连接该第二反相输入端或该第二非反相输入端，且该第一电容电性连接该第二反相输入端及该第二非反相输出端之间或该第二非反相输入端及该第二反相输出端之间；
一第二电阻、一第二电容及一第三电容，该第二电阻并联该第二电容并电性连接该第二反相输入端或该第二非反相输入端，该第三电容电性连接该第二反相输入端及该第二非反相输出端之间或该第二非反相输入端及该第二反相输出端之间；
一第三电阻、一第四电容及一第四电阻，该第三电阻电性连接该第二反相输入端或该第二非反相输入端，且该第四电容串联该第四电阻并电性连接该第二反相输入端及该第二非反相输出端之间或该第二非反相输入端及该第二反相输出端之间；以及
一第五电阻、一第五电容、一第六电阻及一第六电容，该第五电阻并联该第五电容并电性连接该第二反相输入端或该第二非反相输入端，且该第六电容串联该第六电阻并电性连接该第二反相输入端及该第二非反相输出端之间或该第二非反相输入端及该第二反相输出端之间。
7.如权利要求2所述的负反馈系统架构，其中该第三级积分器还包含：
一第三差分放大器，具有一第三反相输入端、一第三非反相输入端、一第三反相输出端及一第三非反相输出端；以及
两个第三电阻电容电路，其中一个所述第三电阻电容电路电性连接至该第三差分放大器的该第三反相输入端及该第三非反相输出端，另一个所述第三电阻电容电路电性连接至该第三差分放大器的该第三非反相输入端及该第三反相输出端。
8.如权利要求7所述的负反馈系统架构，其中该第三电阻电容电路能选自下列的其中之一：
一第一电阻及一第一电容，该第一电阻电性连接该第三反相输入端或该第三非反相输入端，且该第一电容电性连接该第三反相输入端及该第三非反相输出端之间或该第三非反相输入端及该第三反相输出端之间；
一第二电阻、一第二电容及一第三电容，该第二电阻并联该第二电容并电性连接该第三反相输入端或该第三非反相输入端，该第三电容电性连接该第三反相输入端及该第三非反相输出端之间或该第三非反相输入端及该第三反相输出端之间；
一第三电阻、一第四电容及一第四电阻，该第三电阻电性连接该第三反相输入端或该第三非反相输入端，且该第四电容串联该第四电阻并电性连接该第三反相输入端及该第三非反相输出端之间或该第三非反相输入端及该第三反相输出端之间；以及
一第五电阻、一第五电容、一第六电阻及一第六电容，该第五电阻并联该第五电容并电性连接该第三反相输入端或该第三非反相输入端，且该第六电容串联该第六电阻并电性连接该第三反相输入端及该第三非反相输出端之间或该第三非反相输入端及该第三反相输出端之间。
9.如权利要求2所述的负反馈系统架构，其中该负载装置为一喇叭。
10.一种环路滤波器，包含三级串联的积分器，该三级串联的积分器包含一第一级积分器、一第二级积分器及一第三级积分器，该第一级积分器电性连接该第二级积分器且接收反馈的一输出信号，该第二级积分器电性连接该第三级积分器，该第三级积分器电性连接一脉冲宽度调制电路，该三级串联的积分器具有三个频宽内极点及至少两个频宽内零点。
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