CN101989846A - 用来调整终端电阻值的阻抗调整电路及相关方法 - Google Patents

Abstract

用来调整终端电阻值的阻抗调整电路及相关方法。该阻抗调整电路包含有一电阻估测单元(resistance evaluation unit)及一终端电阻单元。该电阻估测单元用来通过一逐次逼近方式，估测一外接电阻与一单位电阻的比例，以产生一控制信号。该终端电阻单元耦接于该电阻估测单元，用来根据该控制信号，决定所需单位电阻的并联数量，以提供一匹配的终端电阻值。

Description

用来调整终端电阻值的阻抗调整电路及相关方法

技术领域

本发明涉及一种用来调整一终端电阻的阻抗调整电路及其相关方法，尤其涉及一种通过一逐次逼近方式，估测一外接电阻与一单位电阻的比例，以调整终端电阻的阻抗调整电路及其相关方法。

背景技术

对于高速的传输界面而言，为了达到最佳的能量传输效率以及避免信号在传递的过程中产生不必要的反射现象，通常对于信号传递路径中传送端的输出阻抗、接收端的输入阻抗以及传输介质的特性阻抗等，都会严格要求以符合某个特定的规范值。例如，传输介质的特性阻抗一般为50欧姆或75欧姆，因此在设计接收端电路时亦须采用50欧姆或75欧姆的电阻来做为终端电阻。

然而，集成电路技术所实现的电阻常会受到制程变异影响而有正负15％左右的误差，不易做到精准的电阻值。因此，已知技术通常会利用一阻抗匹配电路，来调整集成电路内部的终端电阻，使其相等于传输介质的特性阻抗，而达到阻抗匹配的目的。为了获得较精确的终端电阻，在大多数的阻抗匹配电路中，通常都是以外接精密电阻的方式来进行阻抗值的微调，以满足信号品质的需求，如美国专利号第「7,368,936」号及台湾专利号第「538,602」号所示。然而，上述专利皆给定一定电压在外接电阻上，且耗费相当大的电路面积。

发明内容

因此，本发明即在于提供一种用来调整一终端电阻的阻抗调整电路及其相关方法。

本发明公开一种用来调整一终端电阻的阻抗调整电路，包含有一电阻估测单元及一终端电阻单元。电阻估测单元包含有一第一电阻、一电压至电流转换单元、一电流运算单元、一第二电阻、一比较器及一逐次逼近寄存器。该电压至电流转换单元耦接于一参考电压及该第一电阻，用来通过该第一电阻，将该参考电压转换为一参考电流。该电流运算单元耦接于该电压至电流转换单元，用来根据该参考电流及一控制信号，产生一对比电流，其中该对比电流的大小由该控制信号进行调整。该第二电阻耦接于该电流运算单元，用来将该对比电流转换成一对比电压。该比较器耦接于该第二电阻及该参考电压，用来根据该对比电压及该参考电压，产生一比较结果。该逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register，SAR)耦接于该比较器及该电流运算单元，用来根据该比较结果，执行一逐次逼近运算，以设定该控制信号，直到该对比电流与该参考电流的一比例近似于该第一电阻与该第二电阻的一比例为止。该终端电阻单元耦接于该电阻估测单元，包含有多个单位电阻，该终端电阻单元用来根据该控制信号，决定该多个单位电阻的并联数量，以提供一匹配阻抗值。

本发明还公开一种用来调整一终端电阻的阻抗调整方法，包含有通过一第一电阻，将一参考电压转换为一参考电流；根据该参考电流及一控制信号，产生一对比电流，其中，该对比电流的大小由该控制信号进行调整；通过一第二电阻，将该对比电流转换成一对比电压；根据该对比电压及该参考电压，产生一比较结果；根据该比较结果，执行一逐次逼近运算，以设定该控制信号，直到该对比电流与该参考电流的一比例近似于该第一电阻与该第二电阻的一比例为止；以及根据该控制信号，决定多个单位电阻的并联数量，以提供一匹配阻抗值。

附图说明

图1为本发明一阻抗调整电路的示意图。

图2为本发明一终端电阻单元的实施例示意图。

图3为本发明一电阻估测单元的实施例示意图。

图4为本发明实施例一传送端与一接收端的示意图。

图5为本发明一电阻估测单元的实施例示意图。

图6为本发明一阻抗调整流程的实施例示意图。

图7为本发明一电阻估测单元的实施例示意图。

【主要元件符号说明】

10            阻抗调整电路

11、30、50                    电阻估测单元

12、20、43、44                终端电阻单元

111、112、311、312、511、512  电阻

113、313、513                 电压至电流转换单元

114、314、514                 电流运算单元

115、315、515                 比较器

116、316、516                 逐次逼近寄存器

V_REF                          参考电压

I_REF                          参考电流

FT[n:0]                       控制信号

I_CON                          对比电流

V_CON                          对比电压

V_OUT                          比较结果

R_unit1～R_unitN、R_unit         单位电阻

R1～Rn                        电阻群组

SR1～SRn、SW1～SWn            开关

R_EXT                          外接电阻

OP1                           运算放大器

MP1                           晶体管

MN0                           电流接收元件

MN1～MNn                      电流镜射元件

TX                            传送端

RX                            接收端

V_OP、V_ON                      输入端

V_INCOM                        共模电压

60                            阻抗调整流程

600～670                      步骤

具体实施方式

请参考图1，图1为本发明一阻抗调整电路10的示意图。阻抗调整电路10用来调整一终端电阻的阻抗值，其包含有一电阻估测单元11及一终端电阻单元12。电阻估测单元11包含有电阻111及112、一电压至电流转换单元113、一电流运算单元114、一比较器115及一逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register，SAR)116。电压至电流转换单元113耦接于一参考电压V_REF及电阻111，用来通过电阻111，将参考电压V_REF转换为一参考电流I_REF。电流运算单元114耦接于电压至电流转换单元113，用来根据参考电流I_REF及一控制信号FT[n:0]，产生一对比电流I_CON。其中，对比电流I_CON的大小由控制信号FT[n:0]进行调整。电阻112耦接于电流运算单元114，用来将对比电流I_CON转换成一对比电压V_CON。比较器115耦接于电阻112及参考电压V_REF，用来根据对比电压V_CON及参考电压V_REF，产生一比较结果V_OUT。逐次逼近寄存器116耦接于比较器115及电流运算单元114，用来根据比较结果V_OUT，执行一逐次逼近运算，以设定控制信号FT[n:0]，直到对比电流I_CON与参考电流I_REF的一比例近似或相等于电阻111与电阻112的一比例为止。终端电阻单元12耦接于电阻估测单元11，包含有单位电阻R_unit1～R_unitN，其用来根据控制信号FT[n:0]，决定单位电阻R_unit1～R_unitN的并联数量，以提供一匹配阻抗值。

在本发明一实施例中，电阻111与单位电阻R_unit1～R_unitN具有相同的阻抗值及制程变异，而电阻112是一外接(off-chip)电阻。而在本发明另一实施例中，电阻111也可以通过一外接电阻实现，而电阻112则具有与单位电阻R_unit1～R_unitN相同的阻抗值及制程变异。

因此，本发明阻抗调整电路10可通过逐次逼近的方式，估测外接电阻与芯片上单位电阻的比例，并根据估测结果决定单位电阻的并联数量，从而获得与传输介质特性阻抗相匹配的终端电阻值。如此一来，本发明可提供高速数据传输界面最佳的能量传输效率，及避免信号在传递的过程中产生不必要的反射现象。

请参考图2，图2为本发明一终端电阻单元20的实施例示意图。终端电阻20用来实现图1中的终端电阻单元12，其包含有电阻群组R1～Rn及开关SR1～SRn。电阻群组R1～Rn的每一电阻群组由不同数量的单位电阻R_unit并联组成。而开关SR1～SRn则分别耦接于电阻群组R1～Rn，用来根据控制信号FT[n:0]，控制电阻群组R1～Rn的连接，从而决定单位电阻R_unit的并联数量。在本发明实施例中，电阻群组R1～Rn所包含的并联电阻数量以二次方依序递增。如此一来，本发明阻抗调整电路10可利用各种已知的逐次逼近寄存器，或是任何可进行二元搜寻(Binary Search)的软件或硬件来实现，其详细实施方式请继续参考以下说明。

请参考图3，图3为本发明一电阻估测单元30的实施例示意图。电阻估测单元30用来实现图1中的电阻估测单元11，其包含有电阻311及312、一电压至电流转换单元313、一电流运算单元314、一比较器315及一逐次逼近寄存器316。在此实施例中，电阻311由相同于图2中单位电阻之一单位电阻R_unit实现，而电阻312则以一外接电阻R_EXT实现。电压至电流转换单元313由一运算放大器OP1及一晶体管MP1所构成。运算放大器OP1的正输入端耦接于参考电压V_REF，而负输入端耦接于电阻311。晶体管MP1的栅极耦接于运算放大器OP1的输出端，源极耦接于电阻311及运算放大器OP1的负输入端，而其漏极耦接于电流运算单元314。由于运算放大器OP1操作于负反馈组态，因此运算放大器OP1的虚短路(virtual ground)的特性会将电阻311的电压锁定至参考电压V_REF。在此情形下，电压至电流转换单元313可通过电阻311将参考电压V_REF转换为参考电流I_REF。

电流运算单元314包含有一电流接收元件MN0、电流镜射元件MN1～MNn及开关SW1～SWn。电流接收元件MN0用来接收参考电流I_REF。电流镜射元件MN1～MNn耦接于电流接收元件MN0，用来根据参考电流I_REF，产生电流大小比例于参考电流I_REF的镜电流。开关SW1～SWn则分别耦接于电流镜射元件MN1～MNn，用来根据控制信号FT[n:0]，输出相对应的镜电流，以产生对比电流I_CON。较佳地，电流接收元件MN0及电流镜射元件MN1～MNn分别由不同通道宽长比(W/L ration)的晶体管实现，并连接形成一传统电流镜架构。例如，在本发明实施例中，电流接收元件MN0的宽长比可设为电流镜射元件MN1的宽长比的M倍，而电流镜射元件MN1～MNn的宽长比则以二次幂的方式依序递增。如此一来，电流运算单元314可根据控制信号FT[n:0]的各位的值，通过开关SW1～SWn控制所产生镜电流的单位数，以调整对比电流I_CON的大小。

当对比电流I_CON与参考电流I_REF的比例相等于单位电阻R_unit与外接电阻R_EXT的比例时，对比电压V_CON将会相等于参考电压V_REF。因此，为了估测外接电阻R_EXT与单位电阻R_unit的比例，本发明实施例可根据比较器315的比较结果V_OUT，以逐次逼近的方式调整对比电流I_CON的大小，直到对比电压V_CON相等于参考电压V_REF为止。

举例来说，逐次逼近寄存器316可根据比较器315的比较结果V_OUT，进行二元搜寻运算，并依序由控制信号FT[n:0]的一最高有效位(MostSignificant Bit，MSB)逐步(bit-by-bit)设定至控制信号FT[n:0]的一最低有效位(Least Significant Bit，LSB)。每当逐次逼近寄存器316完成设定控制信号FT[n:0]之一位的值时，电流运算单元314会相对应地调整其输出的对比电流I_CON的大小。而在逐次逼近寄存器316设定控制信号FT[n:0]的下一位的值前，对比电流I_CON的大小会保持固定。如此一来，本发明实施例可通过估测外接电阻与单位电阻的比例，来决定图2中单位电阻R_unit的并联数量。

请继续参考图3，如果参考电压V_REF是一固定电压，则电压至电流转换单元313所产生的参考电流I_REF可通过下式表示：

$I_{\mathrm{REF}}=\frac{V_{\mathrm{DD}}-V_{\mathrm{REF}}}{R_{\mathrm{unit}}}---\left(1\right)$

其中，V_DD代表电源电压，而R_unit则代表单位电阻311的阻抗值。在此情形下，电流运算单元314所产生的对比电流I_CON的大小可通过下式表示：

$I_{\mathrm{CON}}=I_{\mathrm{REF}}\×\frac{N}{M}---\left(2\right)$

其中，N代表电流运算单元314所产生的镜电流个数。例如，如果开关SW1及SW3导通，其他开关皆关闭，则镜电流个数等于5(即1+4)，以此类推。当镜电流个数使参考电压V_REF等于对比电压V_CON时，单位电阻311与外接电阻312的压降亦相同，即：

I_CON×R_EXT＝I_REF×R_unit                            (3)

其中，R_EXT代表外接电阻312的阻抗值。将第(2)式代入第(3)式后，单位电阻311与外接电阻312的比例将可由下式表示：

$\frac{R_{\mathrm{unit}}}{R_{\mathrm{EXT}}}=\frac{N}{M}---\left(4\right)$

如果电流接收元件MN0的宽长比为电流镜射元件MN1的宽长比的10倍，且外接电阻312的大小为500欧姆，则单位电阻311与外接电阻312的关系将变成：

$\frac{R_{\mathrm{EXT}}}{10}=\frac{R_{\mathrm{unit}}}{N}=50---\left(5\right)$

由上式可知，将相同于镜电流个数的单位电阻并联可获得50欧姆的匹配阻抗值。换句话说，当本发明实施例以连续逼近方式调整镜电流个数，使得参考电压V_REF等于对比电压V_CON时，此时逐次逼近寄存器316所输出的控制信号FT[n:0]同时使图2中的终端电阻单元20并联相同数量的单位电阻，以获得50欧姆的匹配阻抗值。

另一方面，请参考图4，图4为本发明实施例一传送端TX与一接收端RX的示意图。传送端TX以差动方式传送两个极性相反的信号至接收端RX。而接收端RX的两输入端V_OP及V_ON则分别耦接于终端电阻单元43及44。在本发明实施例中，终端电阻单元43及44可分别通过图2中的终端电阻单元20实现。在此情形下，本发明实施例也可利用输入信号的一共模电压V_INCOM作为电阻估测单元30中的参考电压V_REF。如本领域技术人员所知，接收端RX一般会通过两个相同的电阻跨接于输入端V_OP及V_ON，以取出输入信号的共模电压V_INCOM。由于在电阻估测过程中终端电阻单元43及44所提供的阻抗值是一变动数值，因此，输入信号的共模电压V_INCOM亦会随着改变，其可通过下式表示：

$V_{\mathrm{INCOM}}=\frac{V_{\mathrm{OP}}+V_{\mathrm{ON}}}{2}=V_{\mathrm{DD}}-\frac{I_{\mathrm{TX}}}{2}\×\frac{R_{\mathrm{unit}}}{N}---\left(6\right)$

其中，I_TX代表传送端TX所提供的一共模电流，N代表电流运算单元314所产生的镜电流个数，而则为终端电阻单元43及44所提供的阻抗值。

在此情形下，电压至电流转换单元313所产生的参考电流I_REF会与N成反比，其可通过下式表示：

$I_{\mathrm{REF}}=\frac{V_{\mathrm{DD}}-V_{\mathrm{REF}}}{R_{\mathrm{unit}}}=\frac{I_{\mathrm{TX}}}{2}\×\frac{1}{N}---\left(7\right)$

然而，由于通过镜射参考电流I_REF产生的对比电流I_CON是参考电流I_REF的N倍，因此对比电流I_CON的大小将是一固定值，而对比电压V_CON亦不会随着镜电流个数改变，其可分别通过下式表示：

$I_{\mathrm{CON}}=I_{\mathrm{REF}}\×\frac{N}{10}=\frac{I_{\mathrm{TX}}}{20}---\left(8\right)$

$V_{\mathrm{CON}}=V_{\mathrm{DD}}-I_{\mathrm{CON}}\×R_{\mathrm{EXT}}=V_{\mathrm{DD}}-\frac{I_{\mathrm{TX}}}{20}\×R_{\mathrm{EXT}}---\left(9\right)$

因此，当本发明实施例通过逐次逼近方式调整镜电流个数，使得对比电压V_CON等于参考电压V_REF时，单位电阻311与外接电阻312的关系会变成：

$\frac{R_{\mathrm{EXT}}}{10}=\frac{R_{\mathrm{unit}}}{N}=50---\left(5\right)$

由此可知，此时逐次逼近寄存器316所输出的控制信号FT[n:0]同样使图2中的终端电阻单元20并联相同数量的单位电阻，以获得50欧姆的匹配阻抗值。

因此，本发明实施例可通过逐次逼近的方式，估测外接电阻与芯片上单位电阻的比例，并根据估测结果决定单位电阻的并联数量，从而获得与传输介质特性阻抗(例如50欧姆)相匹配的终端电阻值。如此一来，本发明可提供高速数据传输界面最佳的能量传输效率，及避免信号在传递的过程中产生不必要的反射现象。

请注意，电阻估测单元12并不限定以图3的电阻估测单元30实现。在本发明另一实施例中，电阻111也可通过外接电阻实现，而电阻112则可通过芯片上的单位电阻实现。举例来说，请参考图5，图5为本发明一电阻估测单元50的实施例示意图。电阻估测单元50亦用来实现图1中的电阻估测单元11，其包含有一外接电阻511、一单位电阻512、一电压至电流转换单元513、一电流运算单元514、一比较器515及一逐次逼近寄存器516。类似于图3的电阻估测单元30，电阻估测单元50亦通过逐次逼近的方式估测外接电阻511与单位电阻512的比例，来决定图2中单位电阻R_unit的并联数量。当然，本领域技术人员也可根据实际需求对电阻估测单元12作适当地修改及变化，如图7所示，其亦属本发明的范围。

请参考图6，图6为本发明一阻抗调整流程60的实施例示意图。阻抗调整流程60是上述阻抗调整电路10的一操作流程，用以调整一终端电阻的阻抗值至一匹配阻抗值。阻抗调整流程60包含有下列步骤：

步骤600：开始。

步骤610：通过电阻111，将参考电压V_REF转换为参考电流I_REF。

步骤620：根据参考电流I_REF及一控制信号FT[n:0]，产生对比电流I_CON，其中，对比电流I_CON的大小由控制信号FT[n:0]进行调整。

步骤630：通过电阻112，将对比电流I_CON转换成对比电压V_CON。

步骤640：根据对比电压V_CON及参考电压V_REF，产生一比较结果V_OUT。

步骤650：根据比较结果V_OUT，执行一逐次逼近运算，以设定控制信号FT[n:0]，直到对比电流I_CON与参考电流I_REF的比例相等于电阻111与电阻112的比例为止。

步骤660：根据控制信号FT[n:0]，决定单位电阻R_unit的并联数量，以提供一匹配阻抗值。

步骤670：结束。

关于阻抗调整流程60的详细运作，请参考上述电阻估测单元10，在此不多加赘述。值得注意的是，电阻111及112须分别以一单位电阻及一外接电阻实现。例如，当电阻111以单位电阻实现时，电阻112须通过一外接精密电阻实现。相反地，当电阻111以外接精密电阻实现时，电阻112则须具有与单位电阻相同的阻抗值及制程变异。如此一来，本发明可通过估测外接电阻与单位电阻的比例，决定单位电阻的并联数量，以获得精确的终端电阻值。

总而言之，本发明通过逐次逼近的方式，估测外接电阻与芯片上单位电阻的比例，并根据估测结果决定单位电阻的并联数量，从而获得与传输介质特性阻抗相匹配的终端电阻值。如此一来，本发明可提供高速数据传输界面最佳的能量传输效率，及避免信号在传递的过程中产生不必要的反射现象。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (19)

1.一种用来调整一终端电阻的阻抗调整电路，包含有：

一电阻估测单元，包含有：

一第一电阻；

一电压至电流转换单元，耦接于一参考电压及该第一电阻，用来通过该第一电阻，将该参考电压转换为一参考电流；

一电流运算单元，耦接于该电压至电流转换单元，用来根据该参考电流及一控制信号，产生一对比电流，其中该对比电流的大小由该控制信号进行调整；

一第二电阻，耦接于该电流运算单元，用来将该对比电流转换成一对比电压；

一比较器，耦接于该第二电阻及该参考电压，用来根据该对比电压及该参考电压，产生一比较结果；以及

一逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register，SAR)，耦接于该比较器及该电流运算单元，用来根据该比较结果，执行一逐次逼近运算，以设定该控制信号，直到该对比电流与该参考电流的一比例近似于该第一电阻与该第二电阻的一比例为止；以及

一终端电阻单元，耦接于该电阻估测单元，包含有多个单位电阻，该终端电阻单元用来根据该控制信号，决定该多个单位电阻的并联数量，以提供一匹配的终端电阻值。

2.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该第一电阻与该多个单位电阻具有相同的阻抗值及制程变异，而该第二电阻是一外接(off-chip)电阻。

3.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该第一电阻是一外接电阻，而该第二电阻与该多个单位电阻具有相同的阻抗值及制程变异。

4.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该多个单位电阻还形成多个电阻群组，该多个电阻群组的每一电阻群组由不同数量的单位电阻并联组成，该多个电阻群组所包含的电阻数量以二次方依序递增。

5.如权利要求4所述的阻抗调整电路，其中该终端电阻单元还包含有多个开关，分别耦接于该多个电阻群组，用来根据该控制信号，控制该多个电阻群组的连接，以决定该多个单位电阻的并联数量。

6.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该电流运算单元还包含有：

一电流接收元件，用来接收该参考电流；

多个电流镜射元件，耦接于该电流接收元件，用来根据该参考电流，产生电流大小比例于该参考电流的多个镜电流，该多个镜电流的大小以二次方依序递增；以及

多个开关，分别耦接于该多个电流镜射元件，用来根据该控制信号，输出相对应的镜电流，以产生该对比电流。

7.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该电压至电流转换单元还包含有：

一运算放大器，具有一正输入端耦接于该参考电压，一负输入端耦接于该第一电阻，以及一输出端；以及

一晶体管，具有一源极耦接于该第一电阻及该运算放大器的该负输入端，一栅极耦接于该运算放大器的该输出端，以及一漏极耦接于该电流运算单元。

8.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该参考电压是一固定电压。

9.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该参考电压是一差动输入信号的一共模电压，而该共模电压根据该终端电阻单元所提供的该匹配阻抗值产生。

10.如权利要求1所述的阻抗调整电路，其中该控制信号具有多个位，该逐次近似寄存器依序由该控制信号的一最高有效位来设定其位值，直到该控制信号的一最低有效位完成设定为止。

11.一种用来调整一终端电阻的阻抗调整方法，包含有：

通过一第一电阻，将一参考电压转换为一参考电流；

根据该参考电流及一控制信号，产生一对比电流，其中，该对比电流的大小由该控制信号进行调整；

通过一第二电阻，将该对比电流转换成一对比电压；

根据该对比电压及该参考电压，产生一比较结果；

根据该比较结果，执行一逐次逼近运算，以设定该控制信号，直到该对比电流与该参考电流的一比例近似于该第一电阻与该第二电阻的一比例为止；以及

根据该控制信号，决定多个单位电阻的并联数量，以提供一匹配的终端电阻值。

12.如权利要求11所述的方法，其中该第一电阻与该多个单位电阻具有相同的阻抗值及制程变异，而该第二电阻是一外接电阻。

13.如权利要求11所述的方法，其中该第一电阻是一外接电阻，而该第二电阻与该多个单位电阻具有相同的阻抗值及制程变异。

14.如权利要求11所述的方法，其中该多个单位电阻更形成多个电阻群组，该多个电阻群组的每一电阻群组由不同数量的单位电阻并联组成，该多个电阻群组所包含的电阻数量以二次方依序递增。

15.如权利要求14所述的方法，其中根据该控制信号，决定该多个单位电阻的并联数量的步骤，包含有：

根据该控制信号，控制该多个并联电阻群组的连接，以决定该多个单位电阻的并联数量。

16.如权利要求11所述的方法，其中根据该参考电流及该控制信号，产生该对比电流的步骤，包含有：

根据该参考电流，产生电流大小比例于该参考电流的多个镜电流，该多个镜电流的大小以二次方依序递增；以及

根据该控制信号，输出相对应的镜电流，以产生该对比电流。

17.如权利要求11所述的方法，其中该参考电压是一固定电压。

18.如权利要求11所述的方法，其中该参考电压是一差动输入信号的一共模电压，而该共模电压根据该匹配阻抗值产生。

19.如权利要求11所述的方法，其中该控制信号具有多个位，而该逐次逼近运算依序由该控制信号的一最高有效位来设定其位值，直到该控制信号的一最低有效位完成设定为止。

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