CN104124934A - 运算放大器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种运算放大器电路,包括一主电路、一补偿电容器、一电源电路以及一组开关。主电路有一输出端。补偿电容器有一第一端与该主电路的一内部节点连接,以及一第二端与该主电路的该输出端耦接。电源电路提供预定的一电流或是一电压。该组开关连接该电源电路到该补偿电容器。该组开关在该主电路不是一输出状态时,切换成使该电源电路提供该电流或是该电压给该补偿电容器。该组开关在该主电路是该输出状态时,切换成使该电源电路与该补偿电容器断开,回到该主电路在正常操作下的一输出电路状态。
Description
技术领域
本发明是有关于一种运算放大器电路,具有较固定的回转率(SlewRate,SR)的运算放大器电路。
背景技术
运算放大器是很广泛应用的电路。图1为传统任一架构的运算放大器及其负载电容等效示意方块图。
参阅图1,就应用的电路架构,其一般包括运算放大器50以及用于输出的开关52。开关52后面连接的是外部的负载电路。于负载的等效模式下,负载电路具有等效的负载电容器54。当开关52接收到控制信号将开关52导通时,运算放大器50对输出端AOUT开始充放电。若其充电时间长,会造成开关50接上的瞬间产生很大的尖峰(Peak)电流,这会造成电磁干扰(Electromagneticinterference,EMI)的问题。
其原因是一般运算放大器电路的输出端会连接一个补偿电容器,其电容值为Cc。当运算放大器的开关52导通而成输出状态时,对于补偿电容器的充电时会有回转率SR。回转率SR与充电时间T的关系是SR=I/C=ΔV/T。不同长度的充电时间导致不同的回转率。运算放大器50对负载充放电时,其容易造成一瞬间大的尖峰电流改变回转率,进而导致电磁干扰问题。
此回转率的问题是设计运算放大器50所需要考虑的问题。
发明内容
本发明针对运算放大器电路,可以使回转率能够维持较稳定的状态。
本发明一实施范例提供一种运算放大器电路,包括一主电路、一补偿电容器、一电源电路以及一组开关。主电路有一输出端。补偿电容器有一第一端与该主电路的一内部节点连接,以及一第二端与该主电路的该输出端耦接。电源电路提供预定的一电流或是一电压。该组开关连接该电源电路到该补偿电容器。该组开关在该主电路不是一输出状态时,切换成使该电源电路提供该电流或是该电压给该补偿电容器。该组开关在该主电路是该输出状态时,切换成使该电源电路与该补偿电容器断开,回到该主电路在正常操作下的一输出电路状态。
本发明一实施范例提供一种运算放大器电路,包括一主电路、一补偿电容器、以及一组开关。主电路有一输出端。补偿电容器有一第一端与该主电路的一内部节点连接,以及一第二端与该主电路的该输出端耦接。该组开关设置在该主电路与该补偿电容器的连接路径上。该组开关在该主电路不是一输出状态时,切换成使该主电路的一部分构成一电源电路对该补偿电容器提供一电流或一电压。该组开关在该主电路是该输出状态时,切换成使该主电路回到正常操作下的一输出电路状态。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为传统任一架构的运算放大器及其负载电容等效示意方块图;
图2为传统运算放大器电路的电路示意图;
图3为依据本发明一实施范例,运算放大器电路的电路方块示意图;
图4为依据本明一实施范例,运算放大器电路与补偿电容器114打断的几种方式示意图;
图5为依据本明一实施范例,运算放大器电路示意图;
图6~12为依据本发明多个实施范例,运算放大器电路示意图。
附图标记说明:
50:运算放大器;
52:开关;
54:负载电容器;
100、102、104、106、108、110、112:晶体管;
114:补偿电容器;
120:电压转电流电路;
122:电流运算电路;
124:运算放大电路;
130、144、156、164:电压源;
134、140、150、160:电流源;
132、136、138、142、146、148:开关;
152、154、162、164、166:开关;
200、202、204、206、208、210、212、216晶体管;
218、222、232、234:晶体管;
214、220:电流源;
224、226、236、238、240、242:开关;
228、230:补偿电容器;
AOUT、OUT:输出端;
VDD:系统电压;
Vinn、Vinp、Vbl:电压信号;
Cc、Ccl、Cc2:电容值;
PWR:电源;
VX、Vy:电压;
A、A'、B、B'、C、D:节点。
具体实施方式
先考虑一般传统的运算放大器电路以及其对负载的关系。图2为传统运算放大器电路的电路示意图。参阅图2,运算放大器50对等效的负载电容器54的输出通过开关52的导通状态而连接,其如左图所示。至于运算放大器50的内部电路的一种架构如右图所示。以运算放大器50的一般性来区分可以包括电压转电流电路(Voltage-to-Current converting circuit)l20、电流运算电路(current operation circuit)122以及运算放大电路(amplifying circuit)124。为方便描述,此电压转电流电路120、电流运算电路122以及运算放大电路124以下也称为主电路。要注意的是,与运算放大电路124的输出端OUT还连接有补偿电容器114,其电容值例如是Cc。补偿电容器114的另一端一般是连接到电流运算电路122的输出端。
就细部电路而言,例如以N型晶体管所构成的电路,电压转电流电路120可以包含N型的一对晶体管100、102。晶体管100的栅极例如是负的输入端,接收输出反馈的电压信号Vinn。晶体管102的栅极例如是正的输入端,接收输入的电压信号Vinp。晶体管100、102的源极通过晶体管112接到地电压。晶体管112的栅极由信号Vbl控制。
电流运算电路122例如也包含一对晶体管104、106,其栅极共同连接到电压转电流电路120的晶体管100的漏极,而源极连接到系统电压VDD,漏极分别连接到晶体管100、102的漏极。
运算放大电路124例如包括串联的两个晶体管108、110,其之间的连接点是输出端OUT或是在左图的AOUT。
运算放大器50的电路设计如传统所示可以有多种不同的架构,但是在输出端部会有补偿电容器114。本发明实施范例针对补偿电容器114的操作,而不限定其它主电路的电路设计。
考虑上述减少运算放大器50的一般电路,至少为了减少运算放大器50输出的回转率能够维持较固定的斜率,本发明一实施范例在开关52是断开的状态下,可以对补偿电容器114另外提供在瞬态的电压或电流,使补偿电容器114维持在充电或放电状态,因此不会受开关52的导通时间长短,也因此可以有较固定的回转率。
以下举一些实施范例来说明本发明,但是本发明不仅限于所举多个实施范例,且这些实施范例之间也不排除可以适当结合的方式。
图3为依据本发明一实施范例,运算放大器电路的电路方块示意图。参阅图3,就本发明的设计概念,针对补偿电容器114与其它主电路的关系例如与电压转电流电路120、电流运算电路122以及运算放大电路124的关系,可以通过一组开关的多个开关132、136、138、142、146、148的控制,使补偿电容器114与主电路的至少一部分电路断开,而另外施加电压源130、144或是电流源134、140给补偿电容器114进行充放电。电压源130、144与电流源134、140统称为电源电路,以提供电流或是电压给补偿电容器114。
控制方式是通过开关132、136、138、142、146、148的导通与断开的控制,在主电路不是一输出状态时,也就是开关52是断开的状态时,切换该组开关使电源电路提供电流或是电压给补偿电容器114。该组开关在主电路是输出状态时,也就是开关52是导通的状态时,切换成使电源电路130、134、140、144与补偿电容器114断开,回到该主电路在正常操作下的一输出电路状态。
至于每一个开关的导通或断开的控制可以由一般传统所知的方式来控制,于此不予详述。
图4为依据本明一实施范例,运算放大器电路与补偿电容器114打断的几种方式示意图。参阅图4,打断运算放大器电路对补偿电容器114充电的方式例如可以用将部份电源PWR关闭或以开关将原本的电路以开关断开来达成。举例如下,一种方法如标示1,将电压转电流电路120的电源PWR关闭。另一种方法如标示2,将电流运算电路122的电源PWR关闭。另一种方法如标示3,将运算放大电路124的电源PWR关闭,如此达到在其时间内将运算放大器电路的反馈断开的作用。另一种方法如标示4,将电压转电流电路120的输出端与电流运算电路122的输入端断开。另一种方法如标示5,将电流运算电路122的输出端与运算放大电路124的输入端断开,以达到在其一时间将运算放大器的回路断开。另外同时可以切换补偿电容器到任意大小的电流源或电压源。
图5绘示依据本明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图5,本实施范例在对补偿电容器114是以施加电流源为例来说明。就补偿电容器114在原本的运算放大器电路中,其一端是节点A,经由开关154连接到主电路中的内部节点C,其例如是电流运算电路122的输出端。补偿电容器114的另一端是节点B,连接到输出端OUT。所增加的电源电路,例如是电流源150,经由开关152连接到节点A,也就是连接到补偿电容器114的一端。
在操作上,当开关52是断开时,其表示主电路不是处于输出状态。此时,开关154也断开,而开关152导通。如此补偿电容器114在主电路不是处于输出状态时,由电流源150维持施加电流给补偿电容器114,而维持预定的回转率的输出。这可以有效减少充放电瞬间产生的一大电流,进而减少电磁干扰问题的发生。
当开关52是导通时,其表示运算放大器电路是在正常运作的出状态,因此控制开关154成导通状态,而开关152为断开状态。如此,电流源150与补偿电容器114断开,运算放大器电路回到原正常操作的电路。
图6为依据本发明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图6,本实施范例的开关152与开关154的设置方式与图5的方式相同。然而,本实施范例所增加的电源电路是以电压源156对补偿电容器114施加电压VX。电压VX是依实际需要设定的电压,不需要是系统电压VDD,而可以是其它电压值。开关152与开关154的操作方式如图5的描述。
图7为依据本发明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图7,本实施范例的电源电路对补偿电容器114是采用两个电流源150、160的架构。根据图5的架构为基础,除了维持开关152与开关154与补偿电容器114的连接结构,补偿电容器114的一端的节点B再经由开关164与输出端OUT连接,此输出端OUT于本实施例也可以视为节点D。另外与接地电源连接的电流源160是经由开关162与节点B连接,也就是与补偿电容器114的另一端连接。
在操作上,当开关52是断开时,其表示主电路不是处于输出状态。此时,开关154与开关164也断开,而开关152与开关162导通。如此补偿电容器114在主电路不是处于输出状态时,由电流源150与电流源160维持施加电流给补偿电容器114,而维持预定的回转率的输出。这可以有效减少充放电瞬间产生的一大电流,进而减少电磁干扰问题的发生。
当开关52是导通时,其表示运算放大器电路是在正常运作的出状态,因此控制开关154与开关164成为导通状态,而开关152与开关162为断开状态。如此,电流源150、160与补偿电容器114断开,运算放大器电路回到原正常操作的电路。
图8为依据本发明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图8,本实施范例的多个开关152、154、162、164的设置方式与图7的方式相同。然而,本实施范例所增加的电源电路是以电压源156与电压源164对补偿电容器114施加电压VX与电压Vy之间偏压。电压VX与电压Vy是依实际需要设定的电压,不需要是系统电压VDD与接地电压,而可以是其它电压值。开关152、154、162、164的操作方式如图7的描述。
图9为依据本发明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图9,相比较于图5的架构,本实施范例的电流源150仍是经由开关152与补偿电容器114在节点A连接。然而,另一个开关166不是连接到节点C,而是连接于晶体管100、102的源极与晶体管112的漏极之间。
于此,晶体管的源极与漏极就结构是可以互换,依实际电路的运作而称之,因此本发明的描述中,源极与漏极仅是用于方便描述。
在操作上,当开关52是断开时,其表示主电路不是处于输出状态。此时,开关166也断开,而开关152导通。如此补偿电容器114在主电路不是处于输出状态时,由电流源150维持施加电流给补偿电容器114,而维持预定的回转率的输出。这可以有效减少充放电瞬间产生的一大电流,进而减少电磁干扰问题的发生。
当开关52是导通时,其表示运算放大器电路是在正常运作的出状态,因此控制开关166成为导通状态,而开关152为断开状态。如此,电流源150与补偿电容器114断开,运算放大器电路回到原正常操作的电路。
图10为依据本发明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图10,本实施范例的开关152与开关166的设置方式与图9的方式相同。然而,本实施范例所增加的电源电路是以电压源156对补偿电容器114施加电压Vx。电压Vx是依实际需要设定的电压,不需要是系统电压VDD,而可以是其它电压值。开关152与开关154的操作方式如图9的描述。
运算放大器电路是可以有多种方式的设计。本发明的实施范例不限定于前述所举的电路。就运算放大器电路的另一种设计是对称的架构,其可以包括两个主电路的架构,而组成电路的晶体管中P型晶体管与N型晶体管,在对称的两个主电路中是P型与N型互换。每一个主电路在输出端也都有一个补偿电容器。以下以较具体的电路来说明。
图11为依据本发明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图11,运算放大器电路50的架构是以对称的架构设计。属于电压转电流电路的是由两对相对称的晶体管所构成,其中一对晶体管200、202例如是P型晶体管,其经由P型晶体管204与系统电压VDD连接,晶体管204的栅极例如是电压Vb2。晶体管200与晶体管202的另一端与属于电流运算电路的晶体管216、222连接,进而连接到地电压。晶体管200、202的栅极,分别是负输入端与正输入端。对于对称的另一主电路的一对晶体管206、208是N型晶体管,其源极经由N型晶体管210与接地电压连接,晶体管204的栅极例如是电压Vbl。晶体管206、208的源极是经由晶体管212、218与系统电压VDD连接。
对应前述电流运算电路122的电路例如包括两个电流路径,一个电流路径由晶体管212、电流源214以及晶体管216所构成。电流源214是连接于晶体管212与晶体管216之间。另一个电流路径由晶体管218、电流源220以及晶体管222所构成。电流源220是连接于晶体管218与晶体管222之间。
属于运算放大电路124的晶体管232与晶体管234例如是P型晶体管与N型晶体管。晶体管232与晶体管234的连接端是输出端OUT,与补偿电容器228、230的一端点,即是节点B与节点B'是共通端点。补偿电容器228、230的另一端点,是分别连接到节点A与节点A'。补偿电容器228的电容值为Ccl,补偿电容器230的电容值为Cc2。
本实施范例还提出利用运算放大器电路本身的部分电路来组成瞬态的电源电路对补偿电容器施加电流或电压。本实施范例也举由对称的两个主电路的架构为例来说明,但是也可以适用于单一个主电路的架构。
关于开关的设置,包括多个开关236、238、224、226。开关236连接于晶体管232的栅极与节点A之间。开关238连接于晶体管234的栅极与节点A'之间。电流源220连接于节点A与节点A'之间。
在操作上,当开关52是断开时,其表示主电路不是处于输出状态。此时,开关236、238、224、226切换为断开状态。如此运算放大器50的大部分电路与补偿电容器228、230断开,而保留晶体管218与晶体管222与补偿电容器228、230连接。在主电路不是处于输出状态时,系统电压VDD维持施加电压给补偿电容器228、230,而维持预定的回转率的输出。这可以有效减少充放电瞬间产生的一大电流,进而减少电磁干扰问题的发生。
当开关52是导通时,其表示运算放大器电路是在正常运作的出状态,因此切换开关236、238、224、226成为导通状态。如此,电流源150与补偿电容器114断开,运算放大器电路回到原正常操作的电路。
图12为依据本发明一实施范例,运算放大器电路示意图。参阅图12,延续图11的架构,可以还设置开关240、242在另一条电流路径上。开关240连接于电流源214与电流源220的两个端点之间。开关242连接于电流源214与电流源220的另两个端点之间。然而,开关224是连接在节点A与开关236之间。开关226是连接在节点A'与开关238之间。节点A与节点A'之间是电流源220。
在操作上,当开关52是断开时,其表示主电路不是处于输出状态。此时,开关236、238、224、226切换为断开状态,而开关240、242切换为导通。如此运算放大器50在另一条电流路径上的晶体管212与晶体管216会与补偿电容器228、230连接。补偿电容器228的电容值为Ccl,补偿电容器230的电容值为Cc2。在主电路不是处于输出状态时,系统电压VDD维持施加电压给补偿电容器228、230,而维持预定的回转率的输出。
本发明实施范例中,对于包含补偿电容器的运算放大器电路,不限于特定的电路架构下都可以对补偿电容器在非输出状态时,也对其施加电流或电压,以维持所要的回转率,至少可以减少电磁干扰的问题。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (16)
1.一种运算放大器电路,其特征在于,包括:
一主电路,有一输出端;
一补偿电容器,有一第一端与该主电路的一内部节点连接,以及一第二端与该主电路的该输出端耦接;
一电源电路,提供预定的一电流或是一电压;以及
一组开关,连接该电源电路到该补偿电容器,
其中该组开关在该主电路不是一输出状态时,切换成使该电源电路提供该电流或是该电压给该补偿电容器,
其中该组开关在该主电路是该输出状态时,切换成使该电源电路与该补偿电容器断开,回到该主电路在正常操作下的一输出电路状态。
2.根据权利要求1所述的运算放大器电路,其特征在于,该组开关包括一第一开关与一第二开关,
其中该电源电路经由该第一开关连接到该补偿电容器的该第一端,该第二开关连接在该补偿电容器的该第一端与该主电路的该内部节点之间,
其中在非该输出状态时该第一开关导通且第二开关断开,在该输出状态时该第一开关断开且第二开关导通。
3.根据权利要求2所述的运算放大器电路,其特征在于,该电源电路是一电流源。
4.根据权利要求2所述的运算放大器电路,其特征在于,该电源电路是一电压源。
5.根据权利要求1所述的运算放大器电路,其特征在于,该电源电路包括一第一电源与一第二电源,该组开关包括一第一开关、一第二开关、一第三开关以及一第四开关,该第一电源的一第一端与一第一电压连接,该第二电源的一第一端与一第二电压连接,该第一电压高于该第二电压,
其中该第一电源的一第二端经由该第一开关连接到该补偿电容器的该第一端,该第二开关连接在该补偿电容器的该第一端与该主电路的该内部节点之间,
其中该第二电源的一第二端经由该第三开关连接到该补偿电容器的该第二端,该第四开关连接在该补偿电容器的该第二端与该主电路的该输出端之间,
其中在非该输出状态时该第一开关与该第三开关导通且第二开关与第四开关断开,在该输出状态时该第一开关与该第三开关断开且第二开关与第四开关导通。
6.根据权利要求5所述的运算放大器电路,其特征在于,该第一电源与该第二电源是电流源。
7.根据权利要求5所述的运算放大器电路,其特征在于,该第一电源与该第二电源是电压源。
8.根据权利要求1所述的运算放大器电路,其特征在于,该组开关包括一第一开关与一第二开关,
其中该电源电路经由该第一开关连接到该补偿电容器的该第一端,该第二开关设置在该主电路的一内部路径上,当该第二开关断开时,该主电路不提供电流或电压给该补偿电容器,
其中在非该输出状态时该第一开关导通且第二开关断开,在该输出状态时该第一开关断开且第二开关导通。
9.根据权利要求8所述的运算放大器电路,其特征在于,该电源电路是一电流源。
10.根据权利要求8所述的运算放大器电路,其特征在于,该电源电路是一电压源。
11.一种运算放大器电路,其特征在于,包括:
一主电路,有一输出端;
一补偿电容器,有一第一端与该主电路的一内部节点连接,以及一第二端与该主电路的该输出端耦接;以及
一组开关,设置在该主电路与该补偿电容器的连接路径上,
其中该组开关在该主电路不是一输出状态时,切换成使该主电路的一部分构成一电源电路对该补偿电容器提供一电流或一电压,
其中该组开关在该主电路是该输出状态时,切换成使该主电路回到正常操作下的一输出电路状态。
12.根据权利要求11所述的运算放大器电路,其特征在于,该组开关包括一第一开关与一第二开关,
其中该第一开关的一第一端与该补偿电容器的该第一端连接,该第一开关的一第二端与该主电路的一放大电路的一晶体管的一栅极连接,该晶体管的一漏极是该输出端,
其中该第二开关连接在该补偿电容器的该第一端连接与该主电路的一电流运算电路的一第一电流源之间,
其中该第一开关与该第二开关在该主电路不是该输出状态时断开,该主电路仍与该补偿电容器连接的该部分构成该电源电路,
其中该第一开关与该第二开关在该主电路是该输出状态时导通,切换成使该主电路回到正常操作下的一输出电路状态。
13.根据权利要求12所述的运算放大器电路,其特征在于,该组开关包括一第三开关,该电流运算电路还包括一第二电流源,该第三开关连接于该第一电流源与该第二电流源之间,
其中该第一开关导通时该第三开关断开,该第一开关断开时该第三开关导通。
14.根据权利要求11所述的运算放大器电路,其特征在于,该主电路包括连接结构对称的一第一主电路与一第二主电路,该第一主电路是由多个晶体管所构成,该第二主电路是由多个晶体管所构成但是晶体管导电型相反与该第一主电路的该些晶体管是P导电型与N导电型互换,
该主电路的一电流运算电路有一第一电流路径与一第二电流路径,该第一电流路径有一第一电流源连接在该第一主电路与该第二主电路之间,该第二电流路径有一第二电流源连接在该第一主电路与该第二主电路之间,
其中该补偿电容器也包括一第一补偿电容器与一第二补偿电容器分别对应该第一主电路与第二主电路设置,该第一补偿电容器与该第二补偿电容器个别有该第一端与该第二端。
15.根据权利要求14所述的运算放大器电路,其特征在于,该组开关包括一第一开关与一第二开关设置于该第一主电路中,以及一第三开关与一第四开关设置于该第二主电路中,
其中该第一开关的一第一端与该第一补偿电容器的该第一端连接,该第一开关的一第二端与该第一主电路的一放大电路的一晶体管的一栅极连接,该晶体管的一漏极是该输出端,
其中该第二开关连接在该第一补偿电容器的该第一端连接与该第一电流源之间,
其中该第三开关的一第一端与该第二补偿电容器的该第一端连接,该第三开关的一第二端与该第二主电路的一放大电路的一晶体管的一栅极连接,该晶体管的一漏极是该输出端,
其中该第四开关连接在该第二补偿电容器的该第一端连接与该第一电流源之间,
其中该第一至第四开关在该主电路不是该输出状态时断开,该主电路仍与该补偿电容器连接的该部分构成该电源电路,
其中该第一至第四开关在该主电路是该输出状态时导通,切换成使该主电路回到正常操作下的一输出电路状态。
16.根据权利要求15所述的运算放大器电路,其特征在于,该组开关包括设置于该第一主电路中的一第一开关、一第二开关与一第三开关,以及设置于该第二主电路中的一第四开关、一第五开关与一第六开关,
其中该第一开关的一第一端经由该第二开关与该第一补偿电容器的该第一端连接,该第一开关的一第二端与该第一主电路的一放大电路的一晶体管的一栅极连接,该晶体管的一漏极是该输出端,
其中该第二开关连接在该第一补偿电容器的该第一端与该第一开关的该第一端之间,
其中该第三开关的一第一端与该第一补偿电容器的该第一端连接,该第三开关的一第二端与该第二电流路径的该第二电流源的一第一端连接,
其中该第四开关的一第一端经由该第五开关与该第二补偿电容器的该第一端连接,该第四开关的一第二端与该第二主电路的一放大电路的一晶体管的一栅极连接,该晶体管的一漏极是该输出端,
其中该第五开关连接在该第一补偿电容器的该第一端与该第四开关的该第一端之间,
其中该第六开关的一第一端与该第二补偿电容器的该第一端连接,该第六开关的一第二端与该第二电流路径的该第二电流源的一第二端连接,
其中该第一、第二、第四、第五开关在该主电路不是该输出状态时断开,而该第三与第六开关是导通,由该第二电流路径的电源对该第一补偿电容器与该第二补偿电容器充电,
其中该第一、第二、第四、第五开关在该主电路是该输出状态时导通,而该第三与第六开关是断开,以切换成使该主电路回到正常操作下的一输出电路状态。
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