CN104460810A - 一种可固定温度系数的电压基准电路 - Google Patents

一种可固定温度系数的电压基准电路 Download PDF

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Abstract

一种可固定温度系数的电压基准电路,包括:启动电路、正温度系数电流产生电路、负温度系数电流产生电路、零温度系数电流产生电路、零温度系数电流调节电路和固定温度系数电压合成电路;正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电路的镜像电流输出到零温度系数电流调节电路和固定温度系数电压合成电路,零温度系数电流调节电路给固定温度系数电压合成电路提供镜像电流,由固定温度系数电压合成电路的基准电压端输出稳定的基准电压。本发明充分利用集成电路的高匹配性特点,使基准电压温度系数与电阻和MOS晶体管的温度特性无关,实现基准电压源的固定温度特性,校准基准电压不影响基准电压的温度系数。

Description

一种可固定温度系数的电压基准电路
技术领域
本发明涉及电子技术领域,具体说是一种可固定温度系数的电压基准电路。
背景技术
电压基准是电路中常用到的一个模块,它为系统提供参考电压,在数模转换器、振荡器、延时器、一些模数转换器、信号收发器、电源稳定模块都是及其重要的。精准的基准电压源在精确信号处理或高稳定电压模块中尤为重要。由于大多数器件特性会随温度变化,所以在一些电路中要求基准电压具有一定的温度系数进行补偿。
普通电压基准源会因工艺的偏差出现不同基准电压,采用数字方法可以矫正,但在模拟芯片中难以实现;或采用电熔丝直接调整电阻大小直接来微调电压,但改变电阻会影响基准电压的温度系数。因此,需要一种电压可以校准、温度系数固定的模拟电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足,提供一种可固定温度系数的电压基准电路,充分利用集成电路工艺的高匹配性来产生一种温度系数固定而且电压可校准的电路。
所述的可固定温度系数的电压基准电路,包括:启动电路(1)、正温度系数电流产生电路(2)、负温度系数电流产生电路(3)、零温度系数电流产生电路(4)、零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6);
所述启动电路的输出端连接到所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路,以提供启动电压,所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路的镜像电流输出到所述零温度系数电流调节电路和固定温度系数电压合成电路,所述零温度系数电流调节电路给固定温度系数电压合成电路提供镜像电流,由所述固定温度系数电压合成电路的基准电压端输出稳定的基准电压,其中,
所述正温度系数电流产生电路(2),用来产生正温度系数电流,为负温度系数电流产生电路(3)、零温度系数电流产生电路(4)、零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6)提供正温度系数电流偏置;
所述负温度系数电流产生电路(3),用来产生负温度系数电流,为零温度系数电流产生电路(4)、零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6)提供负温度系数电流偏置;
所述零温度系数电流产生电路(4),由正温度系数电流和负温度系数电流合成,用来产生零温度系数电流,为零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6)提供零温度系数电流偏置;
所述零温度系数电流调节电路(5),为固定温度系数电压合成电路(6)提供可调节大小的零温度系数电流偏置;
所述固定温度系数电压合成电路(6),用来将正温度系数电流、负温度系数电流、零温度系数电流合成固定温度系数并且电压大小可调节的输出参考电压。
进一步地,所述启动电路(1)包括一个倒比PMOS管Mp0,所述倒比PMOS管的输入端与电源相连,所述倒比PMOS管Mp0的漏极和所述倒比PMOS管Mp0栅极连接,并通过第一信号端(9)与所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路相连。
进一步地,所述正温度系数电流产生电路(2)包括:P型MOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4、Mp5,N型MOS管Mn1、Mn2、Mn3、Mn4、Mn5和PNP型三极管Q1、Q2,电阻R1;Mp2、Mp4栅极相连且接到Mp4漏极构成电流镜,Mp2、Mp4源极均接电源端;Mp2的漏极与所述Mp1栅极、Mp3源极相连构成电流镜;Mp4栅极与所述Mp5的栅极、Mn4源极、第二信号端(7)相连,Mp1的源极接电源端、漏极接Mn1的漏极和第三信号端(8),Mn1栅极和Mn2栅极、Mn3栅极连接到所述第一信号端(9),Mp3的漏极与Mn2漏极和栅极连接;Mn1、Mn5的源极接地端;Mn4的栅极接Mp5、Mn5的漏极和第四信号端(10),Mn4源极接Mn3的漏极和Mn5的栅极;三极管Q1、Q2的集电极均接地端,三极管Q1的发射集与其基极、以及Mn2的源极相连,三极管Q2的发射集与其基极相连接,并通过电阻R1和Mn3的源极相连,三极管Q1、Q2采用同类型PNP三极管。
进一步地,所述负温度系数电流产生电路(3)包括:P型MOS管Mp6、Mp7、Mp8、Mp9,N型MOS管Mn6、Mn7,电阻R2;Mp6的源极接电源端、漏极接Mp7的源极、Mp6的栅极接所述第二信号端(7);Mp7的漏极接Mn7的漏极、栅极接所述第三信号端(8),Mn7源极接Mn6的漏极、Mn7栅极接所述第四信号端(10),Mn6的源极通过电阻R2接地端、Mn6栅极接第一信号端(9);Mp8的源极接电源端,其栅极与其漏极、Mp9的源极连接到第五信号端(13,Mp9的漏极接Mn6的源极,Mp9的栅极连接到所述第三信号端(8)。
进一步地,所述零温度系数电流产生电路(4)包括:P型MOS管Mp10、Mp11、Mp12,N型MOS管Mn8、Mn9,Mp10、MP11的源极与电源端相连,两者漏极相连并连接到Mp12的源极;Mp12的漏极与Mn9的漏极相连,Mn9的源极与Mn8的漏极和栅极连接到第六信号端(11),Mn8的源极接地端,Mp11的栅极与第二信号端(7)连接,Mp10的栅极与第五信号端(13)连接,Mp12的栅极与第三信号端(8)连接,Mn9的栅极与第四信号端(10)连接。
进一步地,所述零温度系数电流调节电路(5)中,通过并联连接一组或多组PMOS管和NMOS管,在并联连接的每一个PMOS管的源极和电源端之间,以及并联连接的每一个NMOS管的源极和接地端之间分别独立接入电熔丝,来调节提供给基准输出的温度系数电流。
进一步地,所述零温度系数电流调节电路(5)包括P型MOS管Mp13、Mp14、Mp15、Mp16,N型MOS管Mn10、Mn11、Mn12、Mn13,电熔丝K1~K6,为下述电路连接结构:Mn10、Mn11、Mn12相互并联,其源极分别通过电熔丝K1、K2、K3接地端,栅极均连接到第六信号端(11),漏极并接到Mn13的源极;Mn13的漏极连接Mp16的漏极,Mn13的栅极连接到第四信号端(10),Mp16的栅极连接到第三信号端(8);Mp13、Mp14、Mp15相互并联,其源极分别通过电熔丝K4、K5、K6接电源端,栅极均连接到第七信号端(12),漏极并接到Mp16的源极。 
进一步地,所述固定温度系数电压合成电路(6)包括P型MOS管Mp17、Mp18、Mp19、Mp20,电阻R3,其中,Mp17、Mp18、Mp19的源极均接电源端,漏极均连接到Mp20的源极,三者的栅极分别连接到第七信号端(12)、第五信号端(13)、第二信号端(7);Mp20的栅极连接到第三信号端(8),Mp20的漏极通过电阻R3接地端,Mp20的漏极并连接到为参考电压Vref的输出端口。
进一步地,所述电阻R1、R2、R3采用同类型同尺寸电阻。
与现有电压基准电路技术相比,本发明的明显优点:
(1)充分利用集成电路的高匹配性特点,使基准电压温度系数与电阻和MOS晶体管的温度特性无关,实现基准电压源的固定温度特性,校准基准电压不影响基准电压的温度系数。
(2)在零温度系数电流调节电路中,使用简单的基准电压校准方法,通过电熔丝控制零温度系数电流大小,可以有效地校准基准电压,避免了复杂的数字电路,降低了电路消耗。
(3)电源电压工作范围大,对正温度系数电流产生电路采用了两路反馈,降低了MOS管的二级效应,增强了电流镜的匹配性,对其他电流镜均采用了共源共栅进行优化,可以避免电源电压变化引起电流镜的不匹配,增大了电源电压工作范围。
(4)启动电路简单,仅由一个倒比PMOS管Mp0组成,可以确保避免电路锁死,而且启动电路消耗电流极小。
(5)对电阻温度系数要求低,通过在正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电路、以及固定温度系数电压合成电路中的同类电阻相比,消除了电阻的温度系数对基准电压的影响。
(6)电路的实现和效果与工艺无关,在最简单的标准CMOS工艺下也可以实现此电路。
附图说明
附图1是本发明电路结构框图,
图2是电路原理图实施例。
图中:1—启动电路,2—正温度系数电流产生电路,3—负温度系数电流产生电路,4—零温度系数电流产生电路,5—零温度系数电流调节电路,6—固定温度系数电压合成电路,7—第二信号端,8—第三信号端,9—第一信号端,10—第四信号端,11—第六信号端,12—第七信号端,13—第五信号端。
具体实施方式
 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:如图1所示,本发明的可固定温度系数的电压基准电路,包括依次连接的启动电路1、正温度系数电流产生电路2、负温度系数电流产生电路3、零温度系数电流产生电路4、零温度系数电流调节电路5、固定温度系数电压合成电路6。所述启动电路的输出端连接到所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路,以提供启动电压,所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路的输出端分别连接到所述零温度系数电流产生电路和固定温度系数电压合成电路,所述零温度系数电流产生电路与零温度系数电流调节电路和固定温度系数电压合成电路依次连接,由所述固定温度系数电压合成电路的基准电压端输出稳定的基准电压。
如图2所示,本实施例中包括P型MOS管Mp0、Mp1~Mp20,N型MOS管Mn1~Mn12以及PNP型三极管Q1、Q2,电阻R1、R2、R3和电熔丝K1~K6。
如图2所示,所述启动电路1由一个倒比PMOS管组成,其源极接电源端,其漏极和栅极连接,并连接到作为启动输出端的第一信号端,连接到正温度系数电流产生电路和负温度系数电流产生电路作为电压启动端,用于防止正温度系数电流产生电路锁死,其工作原理是:当正温度系数电流产生电路锁死时,图中Vbn导线的电压为0,而Mp0将Vbn的电压拉上去,避免了Vbn电压为0的情况发生,从而防止正温度系数电流产生电路锁死,而且采用倒比管可以让电路在正常工作时通过Mp0的电流小到忽略不计。此所述的启动电路1没有采用反馈环路,可以确保电路不因启动过程而振荡,并且将启动电路最简化。
如图2所示,所述正温度系数电流产生电路2的电路结构为:Mp2、Mp4栅极相连并接到Mp4漏极构成电流镜,Mp2、Mp4源极均接电源端;Mp2的漏极与Mp1栅极、Mp3源极相连,构成电流镜,Mp4栅极还连接到Mp5的栅极、Mn4源极和第二信号端7,Mp1的源极接电源端、漏极接Mn1的漏极和第三信号端8,Mn1栅极和Mn2栅极、Mn3栅极连接到所述启动电路的输出端,Mp3的漏极与Mn2漏极和栅极连接;Mn1、Mn5的源极接地端;Mn4的栅极接Mp5、Mn5的漏极和第四信号端10,Mn4源极接Mn3的漏极和Mn5的栅极;三极管Q1、Q2的集电极均接地端,三极管Q1发射集与其基极、以及Mn2的源极相连,三极管Q2发射集与其基极相连接,并通过电阻R1和Mn3的源极相连,三极管Q1、Q2采用同类型PNP三极管。
其中Mp1、Mn1构成放大器,输入端为Mp1的栅极,输出端为Mp1的漏极,Mp3作为反馈电阻,从而将Mp2的漏源电压钳位到Mp4的漏源电压,由MOS晶体管在饱和区的电压电流关系等式1可知,Mp2、Mp4的电流镜匹配性更好。
                                                     …….…..等式1
式中I Dsat 为饱和状态电流,β是工艺参数,VGS是栅源电压,Vt是MOS的阈值电压,λ是沟道调制效应参数,V DS 是漏源电压。
同理,采用Mp5、Mn5构成放大器,对Mn3的源漏电压钳位到Mn2的源漏电压。这样电阻R1两端电压差为Q1和Q2的be端电压差ΔVbe
ΔVbe = Vbe1-Vbe2= (kT/q)lnN ………………….….等式2
其中Vbe1和Vbe2分别表示三极管Q1和Q2的be结电压,k是玻耳兹曼常数,T为温度变量,q为电子电荷量,N为三极管Q2与三极管Q1基极截面面积比值。可知ΔVbe与温度成正比,可得正温度系数电流Ipat
Ipat =ΔVbe/R1 = (kT/q)*(lnN/R1) ……………..…..等式3
所述负温度系数电流产生电路3,如图2中实施例的电路为:Mp6的源极接电源端、漏极接Mp7的源极、Mp6的栅极接所述第二信号端7;Mp7的漏极接Mn7的漏极、栅极接所述第三信号端8,Mn7源极接Mn6的漏极、Mn7栅极接所述第四信号端10,Mn6的源极通过电阻R2接地端、Mn6栅极接第一信号端9;Mp8的源极接电源端,其栅极与其漏极、Mp9的源极连接到第五信号端13。Mp6、Mp7构成共源共栅结构,用来镜像Mp4的电流,Mp6的长宽比为Mp4的N1倍,则Mp6的电流为
IMp6= N1*Ipat ………………………………….……….等式4
Mn6、Mn7构成共源共栅结构,使Mn2、Mn6的漏源电压相等,从而使电阻R2的两端电压等于三极管Q1的be结电压Vbe1,则由基尔霍夫电流定律得Mp8的负温度系数电流Ineg为:
Ineg = Vbe1/R2 - IMp6= Vbe1/R2 - N1*Ipat ………….…. 等式5
所述零温度系数电流产生电路4,如图2中实施例的电路为:Mp10、MP11的源极与电源端相连,两者漏极相连并连接到Mp12的源极;Mp12的漏极与Mn9的漏极相连,Mn9的源极与Mn8的漏极和栅极连接到第六信号端11,Mn8的源极接地端,Mp11的栅极与第二信号端7连接,Mp10的栅极与第五信号端13连接,Mp12的栅极与第三信号端8连接,Mn9的栅极与第四信号端10连接。
Mp10镜像Mp8的负温度系数电流,Mp11镜像Mp4的正温度系数电流,Mp10的长宽比为Mp8的N2倍,Mp11的长宽比为Mp4的N3倍,则合成后经过Mn8的电流为:
Iztc=N2*Ineg + N3*Ipat
       =N2(Vbe1/R2)+(N3-N2*N1)Ipat…….……. 等式6
通过设置N1、N2、N3大小可以得到零温度系数电流Iztc
所述零温度系数电流调节电路5,如图2中实施例的电路为:Mn10、Mn11、Mn12相互并联,其源极分别通过电熔丝K1、K2、K3接地端,栅极均连接到第六信号端11,漏极并接到Mn13的源极;Mn13的漏极连接Mp16的漏极,Mn13的栅极连接到第四信号端10,Mp16的栅极连接到第三信号端8;Mp13、Mp14、Mp15相互并联,其源极分别通过电熔丝K4、K5、K6接电源端,栅极均连接到第七信号端12,漏极并接到Mp16的源极。
Mn10、Mn11、Mn12镜像Mn8的电流,Mn13使电流镜镜像更精确,Mn10、Mn11、Mn12的等效长宽比为Mn8的N4倍;Mp13、Mp14、Mp15并联,以二极管连接形式连接栅极和漏极,以便将调节好大小的零温度系数电流镜像出去,其等效长宽比为Mn17的N5倍。镜像出去的零温度系数电流Iz的大小为:
Iz=N4*Iztc/N5 …………………………………..…..等式7
通过六组电熔丝可以调节被镜像电流大小,调节K1、K2、K3可以减小N4的值,从而减小镜像进来的零温度系数电流,调节K4、K5、K6可以减小N5的值,从而增大输出的零温度系数电流;增加电熔丝数量和对应的MOS个数可以使调节范围变宽或精度变小。
所述固定温度系数电压合成电路6,如图2中实施例的电路为:Mp17、Mp18、Mp19的源极均接电源端,漏极均连接到Mp20的源极,三者的栅极分别连接到第七信号端12、第五信号端13、第二信号端7;Mp20的栅极连接到第三信号端8,Mp20的漏极通过电阻R3接地端,Mp20的漏极并连接到作为参考电压Vref的输出端口;所述电阻R1、R2、R3采用同类型同尺寸电阻。
通过Mp17镜像Mp13、Mp14、Mp15的调节好的零温度系数电流,通过Mp18镜像Mp8的负温度系数电流,Mp19镜像Mp4的正温度系数电流,通过Mp20来隔离参考电压Vref对电流镜像精度影响;Mp18与Mp8的长宽比为N6,Mp19与Mp4的长宽比为N7,由N6、N7来得到合成电流温度系数,如等式8所示。由合成后的电流经过R3得到基准Vref为:
由等式9可以看到:电阻R1、R2、R3可以通过相除来消除电阻的温度系数对参考电压Vref的影响。R1、R2、R3的比值可以方便的使用电阻版图匹配性来实现,N1~N7的值也可以通过MOS器件的版图来实现高精度的匹配性。

Claims (9)

1.一种可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于,包括:启动电路(1)、正温度系数电流产生电路(2)、负温度系数电流产生电路(3)、零温度系数电流产生电路(4)、零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6);
所述启动电路的输出端连接到所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路,以提供启动电压,所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路的镜像电流输出到所述零温度系数电流调节电路和固定温度系数电压合成电路,所述零温度系数电流调节电路给固定温度系数电压合成电路提供镜像电流,由所述固定温度系数电压合成电路的基准电压端输出稳定的基准电压,其中,
所述正温度系数电流产生电路(2),用来产生正温度系数电流,为负温度系数电流产生电路(3)、零温度系数电流产生电路(4)、零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6)提供正温度系数电流偏置;
所述负温度系数电流产生电路(3),用来产生负温度系数电流,为零温度系数电流产生电路(4)、零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6)提供负温度系数电流偏置;
所述零温度系数电流产生电路(4),由正温度系数电流和负温度系数电流合成,用来产生零温度系数电流,为零温度系数电流调节电路(5)和固定温度系数电压合成电路(6)提供零温度系数电流偏置;
所述零温度系数电流调节电路(5),为固定温度系数电压合成电路(6)提供可调节大小的零温度系数电流偏置;
所述固定温度系数电压合成电路(6),用来将正温度系数电流、负温度系数电流、零温度系数电流合成固定温度系数并且电压大小可调节的输出参考电压。
2.根据权利要求1所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于,所述启动电路(1)包括一个倒比PMOS管Mp0,所述倒比PMOS管的输入端与电源相连,所述倒比PMOS管Mp0的漏极和所述倒比PMOS管Mp0栅极连接,并通过第一信号端(9)与所述正温度系数电流产生电路和所述负温度系数电流产生电路相连。
3.根据权利要求2所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于,所述正温度系数电流产生电路(2)包括:P型MOS管Mp1、Mp2、Mp3、Mp4、Mp5,N型MOS管Mn1、Mn2、Mn3、Mn4、Mn5和PNP型三极管Q1、Q2,电阻R1;Mp2、Mp4栅极相连且接到Mp4漏极构成电流镜,Mp2、Mp4源极均接电源端;Mp2的漏极与所述Mp1栅极、Mp3源极相连构成电流镜;Mp4栅极与所述Mp5的栅极、Mn4源极、第二信号端(7)相连,Mp1的源极接电源端、漏极接Mn1的漏极和第三信号端(8),Mn1栅极和Mn2栅极、Mn3栅极连接到所述第一信号端(9),Mp3的漏极与Mn2漏极和栅极连接;Mn1、Mn5的源极接地端;Mn4的栅极接Mp5、Mn5的漏极和第四信号端(10),Mn4源极接Mn3的漏极和Mn5的栅极;三极管Q1、Q2的集电极均接地端,三极管Q1的发射集与其基极、以及Mn2的源极相连,三极管Q2的发射集与其基极相连接,并通过电阻R1和Mn3的源极相连,三极管Q1、Q2采用同类型PNP三极管。
4.根据权利要求3所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于,所述负温度系数电流产生电路(3)包括:P型MOS管Mp6、Mp7、Mp8、Mp9,N型MOS管Mn6、Mn7,电阻R2;Mp6的源极接电源端、漏极接Mp7的源极、Mp6的栅极接所述第二信号端(7);Mp7的漏极接Mn7的漏极、栅极接所述第三信号端(8),Mn7源极接Mn6的漏极、Mn7栅极接所述第四信号端(10),Mn6的源极通过电阻R2接地端、Mn6栅极接第一信号端(9);Mp8的源极接电源端,其栅极与其漏极、Mp9的源极连接到第五信号端(13,Mp9的漏极接Mn6的源极,Mp9的栅极连接到所述第三信号端(8)。
5.根据权利要求4所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于,所述零温度系数电流产生电路(4)包括:P型MOS管Mp10、Mp11、Mp12,N型MOS管Mn8、Mn9,Mp10、MP11的源极与电源端相连,两者漏极相连并连接到Mp12的源极;Mp12的漏极与Mn9的漏极相连,Mn9的源极与Mn8的漏极和栅极连接到第六信号端(11),Mn8的源极接地端,Mp11的栅极与第二信号端(7)连接,Mp10的栅极与第五信号端(13)连接,Mp12的栅极与第三信号端(8)连接,Mn9的栅极与第四信号端(10)连接。
6.根据权利要求5所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于,所述零温度系数电流调节电路(5)中,通过并联连接一组或多组PMOS管和NMOS管,在并联连接的每一个PMOS管的源极和电源端之间,以及并联连接的每一个NMOS管的源极和接地端之间分别独立接入电熔丝,来调节提供给基准输出的温度系数电流。
7.根据权利要求6所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于:所述零温度系数电流调节电路(5)包括P型MOS管Mp13、Mp14、Mp15、Mp16,N型MOS管Mn10、Mn11、Mn12、Mn13,电熔丝K1~K6,为下述电路连接结构:Mn10、Mn11、Mn12相互并联,其源极分别通过电熔丝K1、K2、K3接地端,栅极均连接到第六信号端(11),漏极并接到Mn13的源极;Mn13的漏极连接Mp16的漏极,Mn13的栅极连接到第四信号端(10),Mp16的栅极连接到第三信号端(8);Mp13、Mp14、Mp15相互并联,其源极分别通过电熔丝K4、K5、K6接电源端,栅极均连接到第七信号端(12),漏极并接到Mp16的源极。
8.根据权利要求7所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于:所述固定温度系数电压合成电路(6)包括P型MOS管Mp17、Mp18、Mp19、Mp20,电阻R3,其中,Mp17、Mp18、Mp19的源极均接电源端,漏极均连接到Mp20的源极,三者的栅极分别连接到第七信号端(12)、第五信号端(13)、第二信号端(7);Mp20的栅极连接到第三信号端(8),Mp20的漏极通过电阻R3接地端,Mp20的漏极并连接到为参考电压Vref的输出端口。
9.根据权利要求8所述的可固定温度系数的电压基准电路,其特征在于:所述电阻R1、R2、R3采用同类型同尺寸电阻。
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