CN105577130B - 差动二级放大器与其运作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一实施例提供一种差动二级放大器与其运作方法。该差动二级放大器包括一输入级电路、一偏压电路、一第一级放大电路、一第二级放大电路、一共模反馈电路以及一电流补偿电路。该输入级电路,接收一输入电流。该偏压电路,耦接该输入级电路,产生一偏压电流。该第一级放大电路,耦接该输入级电路与该第二级放大电路。该共模反馈电路,耦接该第二级放大电路,并根据一共模电压调整一共模反馈电流,其中该输入电流由该偏压电流与该共模反馈电流所组成。该电流补偿电路,用以提供一补偿电流,其中当该差动二级放大器的一温度大于一预定温度值时,将该补偿电流输入该输入级电路。本发明的电流补偿电路可降低温度变化给电路带来的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种差动放大器,特别是一种可以具有高温电流补偿机制的差动二级放大器。
背景技术
在现今制造工艺进步到90、45nm甚至更低如28nm等制造工艺底下时,功率消耗所产生的热能相对于一个微小的芯片而言就是相当高的环境温度,如此的温度变化势必对电路带来一定程度的影响,在许多需要精密量测结果的电路,如温度感测器,这样的高温影响是我们必须避免的问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种差动二级放大器与其运作方法,以降低温度变化给电路带来的影响。
本发明的一实施例提供一种差动二级放大器。该差动二级放大器包括一输入级电路、一偏压电路、一第一级放大电路、一第二级放大电路、一共模反馈电路以及一电流补偿电路。该输入级电路接收一输入电流。该偏压电路耦接该输入级电路,产生一偏压电流。该第一级放大电路耦接该输入级电路与该第二级放大电路。该共模反馈电路,耦接该第二级放大电路,并根据一共模电压调整一共模反馈电流,其中该输入电流由该偏压电流与该共模反馈电流所组成。该电流补偿电路用以提供一补偿电流,其中当该差动二级放大器的一温度大于一预定温度值时,将该补偿电流输入该输入级电路。
本发明的一实施例提供一种动二级放大器的运作方法,包括:计算一差动二级放大器内的一共模反馈电路的一临界温度;根据该临界温度计算一补偿电流;当该差动二级放大器的一温度低于该临界温度时,该共模反馈电路提供一共模反馈电流给该差动二级放大器内的一输入级电路;当该差动二级放大器的一温度高于该临界温度时,该共模反馈电路停止提供该共模反馈电流给该输入级电路,该输入级电路接收一电流补偿电路输出的一补偿电流。
本发明的电流补偿电路可提供高温时共模反馈电路无法提供的电流,从而可以降低温度变化给电路带来的影响。
附图说明
图1为一差动二级放大器的示意图。
图2为一共模反馈电路的示意图。
图3为一差动二级放大器的电路图。
图4A、4B为图3的差动二级放大器的电路中的四个端点的电压变化示意图。
图5A~5C为图3的电路中的电流与温度的变化示意图。
图6A~6D为图3的电路中的第一级放大器33内的电压电流与温度的变化示意图。
图7A与图7B分别为第一级放大器的输出电压与差动二级放大器的输出电压与温度的示意图。
图8为根据本发明的具有电流补偿机制的一差动二级放大器的一实施例的示意图。
图9为根据本发明的具有电流补偿晶体管的一差动二级放大器的一实施例的电路图。
图10A~10D为图9的电路中的电流与温度的变化示意图。
图11为电流补偿晶体管的宽长比与温度的示意图。
图12A与图12B则是有无电流补偿下,差动二级放大器中的电流Icmfb的示意图。
图13为本发明的一差动二级放大器的运作方法的一实施例的流程图。
符号说明:
11、81~双端输出放大器;
12、82~偏压电路;
13、83~共模反馈电路;
31、91~偏压电路;
32、92~输入级电路;
33、93~第一级放大器;
34、94~第二级放大器;
35、95~共模反馈电路;
84~电流补偿电路;
MC~电流补偿晶体管;
S1301~步骤(计算共模反馈电路的一临界温度T);
S1302~步骤(根据该临界温度T计算一补偿电流);
S1303~步骤(根据该补偿电流计算晶体管的宽长比);
S1304~步骤(电路温度>T?);
S1305~步骤(电流补偿晶体管提供电流给差动二级放大器的输入级电路);
S1306~步骤(共模反馈电路提供电流给输入级电路)。
具体实施方式
温度一直是影响电路效能的一个重要因素。随着制造工艺的进步,集成电路的越来越微小化,热对于集成电路的影响就越来越明显,这样的影响会使得电路的效能开始变差,更严重时甚至是无法使用。
以常用的场效晶体管(MOSFET)而言,其饱合区电流公式为:
其中漂移率μ以及临界电压VT会受到温度影响。
VT≈VT0-αΔT (2.3)
ΔVT≈αΔT (2.4)
从方程式2.2中可以发现,在T0温度时,漂移率μ(T)为一定值μ(T0),且漂移率μ(T)随温度变化比例(T/T0)成γμ次方而变化。
一般来说,临界电压VT随温度变化约为线性变化,α为其温度变化系数。随着制造工艺的不同,α也会有变化。举例来说,在1.8um制造工艺中,α为0.00017mV/℃,但是在90nm制造工艺中,α值高达0.05mV/℃。可知在未来元件制造工艺越来越小的趋势下,温度的影响势必越来越严重。
以放大器为例说明。放大器为电路中使用相当频繁且重要的电路之一,放大器中为了追求大的放大率,我们会将晶体管偏压于饱和区。当VGS固定时,电流ID就会正比于VGS与临界电压VT的电压差的平方。当温度升高到一定程度时,会使得放大器内部部分晶体管脱离饱和区进入线性区,最终导致放大器放大率下降,更严重时导致放大器无法继续工作。同样的情形也可能出现在差动二级放大器上。
图1为一差动二级放大器的示意图。差动二级放大器包括了双端输出放大器11、输出共模反馈电路13与偏压电路12。偏压电路12是由带隙(Bandgap)电路及电流产生电路组成,以输入电流的方式偏压双端输出放大器11。共模反馈电路13,如图2所示,是一种普遍运用于差动二级放大器的一项技术。共模反馈电路13检测双端输出放大器11的输出端的共模电压电位(Vcm)的变化,并调整差动二级放大器的输入级电流,以避免差动二级放大器受到温度的影响。共模电压电位由外部提供的共模(common mode)电压。
但是当温度过高时,如超过110℃,共模反馈电路12无法提供足够的电流去调整差动二级放大器的输入级电流,使得双端输出放大器11的输出电压偏压点无法被控制,造成双端输出放大器11无法正常运作。
图3为一差动二级放大器的电路图。差动二级放大器包括偏压电路31、输入级电路32、第一级放大器33、第二级放大器34以及共模反馈电路35。偏压电路31以电流镜的方式产生不同的偏压电流,并传送到其他电路,如输入级电路32。第一级放大器33为一迭接放大器,用以对输入信号Vi+与Vi-做第一次的放大。选择迭接放大器的原因是要提高输入信号的信号摆幅,且迭接放大器有较高的放大率。第二级放大器34为一共源级放大器,以针对第一级放大器33的输出信号进行第二次的放大及增加输出摆幅。共模反馈电路35根据输出共模电压电位变化(Vcmfb)来调整第一级迭接放大器的偏压电流Icmfb0。
偏压电路31以固定电流源来产生偏压,首先是偏压放大器的部分,由于是由固定电流偏压,在VT改变时,VGS以及VDS会变动使得电流不改变,VGS的改变即使得偏压放大器的电压改变,由电流公式(2.1)我们可以推导出图3所示差动二级放大器电路上,四个端点的电压变化,电压变化请参考图4A、4B。图4A、4B为图3的差动二级放大器的电路中的四个端点的电压变化示意图。各点电压如下所示:
从上述的公式中可以发现每个部分(term)都有VT的成份。在固定电流为前提下,可以发现根号内部的数值仅受到μ温度系数的影响,μ本身受温度影响并不明显,所以四个电压偏压的变化状况为接近线性的变化。
从图4A、4B上来看,Vbp0、Vbp1随温度升高而升高,Vbn0、Vbn1随温度升高而降低,其中Vbp0、Vbp1变化幅度接近,Vbn1由于受到通道长度调变效应影响,变化较Vbn0大。
从图4A、4B来看,虽然偏压点bp0、bp1、bn0、bn1的电压有变化,但是并不明显,因此温度对这几个偏压点的电压的影响应该是有限的。
图3的电路中,输入电压为固定的直流电压(VDD/2),而输入级的电流来源有两种,一个是以电流镜的方式,由偏压电路31产生的偏压电流,另一为共模反馈电路所提供反馈控制的电流。接着,以图4A、4B的电压变化来观察图3的电路中,与输入级电路有关的电流的变化。流经晶体管T1的输入电流I1如下所示:
I1=Ibp0+Icmfb0
图5A~5C为图3的电路中的电流与温度的变化示意图。在图5B中可以清楚发现,共模反馈电路所提供反馈控制的电流Icmfb0,在温度大于110度左右时,即趋近于0。虽然电流Ibp0会随着温度增高而增加,但是因为反馈控制的电流Icmfb0所造成输入电流I1(I2)所减少的部分,如图5A所示,仍无法被补足。
从图5C可以发现,即使让共模反馈电路所提供输入共模电压电位固定的情况下,电流Ibp0并不会因为电流镜效果而为固定电流,而是会因为VT受到温度的变化下降,而有上升的趋势。此外由于共模反馈电路检测到温度上升以及共模输出电压电位的改变,共模反馈电路会调整反馈电流Icmfb0以抑制输入级电流,进而抑制电压变化。而其中电流调整变化幅度随着输出电压受温度影响的强弱(与制造工艺相关)而改变。
图6A~6D为图3的电路中的第一级放大器33内的电压电流与温度的变化示意图。迭接放大器(第一级放大器33)对于二级差动放大器而言,最主要的功用在于提供高的输出阻抗。因此所以当确定迭接放大器是偏压于饱和区,而具有高阻抗的特性后,需要注意的是迭接放大器输出的电压电位。因迭接放大器的输出直接连接至共源级放大器的输入,因此,在图6A~6D中,针对会影响到共源级放大器的输出电压的电流或电压进行观察。
从图3的电路来看,电流I5与I6可以由下列式子表示:
I5=I1+I3
I6=I2+I4
电流I3与I4是通过电流镜复制的电流,从图6C来看,在温度没有超过110℃前,其变化量是不大的。但是当温度超过110℃后,电流快速降低。如前所述,电流I5与I6与电流I3与I4是相关的,在图6A中也可以发现,当温度高于110℃时,电流I5与I6也是逐步减少。但是当温度低于110℃时,电流I5与I6因为电流I1与I2降低的原因,因此也是逐步减少,其中电流I1与I2降低的原因是因为共模反馈电路所提供反馈控制电流降低所造成(请参考图5B)。
在图6C中,在正常运作下(温度低于110℃)晶体管T5的Vds5与晶体管T6的Vds6是操作在饱和区,受到晶体管T3与T4的影响较低。但是随着温度上升,VT下降使得晶体管T3与T4的操作往线性区移动,且晶体管T3的Vds3与晶体管T4的Vds4逐步下降,最后导致电压Vds5与Vds6的上升,以及第一级放大器33的输出电压Vpre-outp的上升。因为晶体管T3的Vds3与晶体管T4的Vds4逐步下降,使得晶体管T3与T4所能提供的阻抗降低,第一级放大器的放大倍率也因此降低。
图7A与图7B分别为第一级放大器的输出电压与差动二级放大器的输出电压与温度的示意图。图7A与图6D相似,在温度大于一定温度,如110℃时,输出电压Vpre-outp会因为晶体管T3的Vds3与晶体管T4的Vds4的下降而逐步上升。但是差动二级放大器的输出电压却不会因此上升,反而会逐步下降。差动二级放大器中的第二级放大器为一共源级放大器,接收到的偏压电流为偏压电路电流镜复制的固定电流。同样地,因为晶体管T11(T12)会受到温度影响,在温度增加时,VT会下降,晶体管的VGS会被拉高,导致晶体管T11(T12)的操作往线性区移动,使得输出电压Voutp逐步下降。
从上述说明可以明显看出,当温度超过一临界温度后,差动二级放大器就无法正常运作。因为温度的变化造成临界电压的变化过大,超出晶体管本身的操作范围,而共模反馈电路也无法再提供反馈抑制(因为Icmfb0降至约0)。因此,必须先得知共模反馈电路在温度多少时会开始失效。
从图2来看,共模反馈电路将输出电压借由共模反馈电路传至Vcmfb,并与共模电压Vcm比较。图3中的晶体管T15~T22即是用以比较共模反馈电压Vcmfb与共模电压Vcm。当温度没有变化时,共模反馈电压Vcmfb大致上等于共模电压Vcm。
VcmfbT50≈Vcm (3.19)
当温度开始升高时,共模反馈电压由Vcmfb变动成VcmfbHT,其变化量为βΔT。温度变化造成的电压变化可由下列公式表示:
共模反馈电压的变化如下式:
ΔVcmout≈VcmfbT50-VcmfbHT=β×ΔT=ΔVcmfb (3.21)
在比较过电压后,是以电流镜的方式调整输入电流Icmfb0,因此如果晶体管,如晶体管T15,因为VG变化过大而进入截止区时,电流Icmfb0为0。晶体管截止区判断公式如下:
VGS<Vt (3.22)
根据上述判断公式,加入温度的变化后,可推得共模反馈电路正常运作的温度上限。请参考下列推导:
VcmfbT50-ΔVcmout<VtHT=VtT50-α×ΔT (3.23)
(β-α)×ΔT>VcmfbT50-VtT50 (3.24)
从上列式子中可以发现温度的变化量的大小决定于两者。分子部分为操作电压的设计(VcmfbT50)以及制造工艺(VtT50),分母部分为输出电压电位的变化β(可由电路模拟中取得)以及制造工艺因素α(当制造工艺决定的同时即决定)。在本说明书中,输出电压电位的变化β如图7B中,输出电压Voutp在温度约-30℃到50℃的电压变化的斜率。在上述公式中,VcmfbT50是指在温度50℃时,Vcmfb的电压值,而VtT50是指在温度50℃时,Vt值。
换言之,当差动二级放大器电路设计完后,即可推知共模反馈电路的可容忍温度范围ΔT以及无法正常运作的温度(T+ΔT),其中在本实施例中,T为50℃。
如前所述,差动二级放大器无法正常运作的原因是因为共模反馈电路无法提供调整电流,因此本说明书提供一种电流补偿机制,以弥补共模反馈电路在高温无法提供调整电流给差动二级放大器的输入级的情况。
图8为根据本发明的具有电流补偿机制的一差动二级放大器的一实施例的示意图。差动二级放大器包括了双端输出放大器81、输出共模反馈电路83、电流补偿电路84与偏压电路82。偏压电路82是由带隙(Bandgap)电路及电流产生电路组成,以输入电流的方式偏压双端输出放大器81。共模反馈电路83,如图2所示,是一种普遍运用于差动二级放大器的一项技术。共模反馈电路83检测双端输出放大器81的输出端的共模电压电位的变化,并调整差动二级放大器的输入级电流,以避免差动二级放大器受到温度的影响。共模电压电位由外部提供的共模(common mode)电压。
但是当温度过高时,如超过110℃,因为共模反馈电路83无法提供足够的电流去调整差动二级放大器的输入级电流,因此通过电流补偿电路84提供电流给差动二级放大器的输入级,使得差动二级放大器可以正常运作。电流补偿电路84的实现方式有很多种,其中为了避免过多的电路导致差动二级放大器运作时产生更多的热,造成电路的温度上升更快,因此本发明的一实施例便利用晶体管的漏电流特性来做高温的电流补偿。在其他实施例中,可利用其他的电流补偿电路来达到相同的目的。
简单来说,当差动二级放大器的温度低于一预定温度时,双端输出放大器81接收偏压电路82与输出共模反馈电路83提供的电流。当差动二级放大器的温度高于一预定温度时,双端输出放大器81接收偏压电路82与电流补偿电路84提供的电流。
图9为根据本发明的具有电流补偿晶体管的一差动二级放大器的一实施例的电路图。差动二级放大器包括偏压电路91、输入级电路92、第一级放大器93、第二级放大器94、共模反馈电路95以及电流补偿晶体管MC。偏压电路91以电流镜的方式产生不同的偏压电流,并传送到其他电路,如输入级电路92。第一级放大器93为一迭接放大器,用以对输入信号Vi+与Vi-做第一次的放大。选择迭接放大器的原因是要提高输入信号的信号摆幅(inputsignal swing),且迭接放大器有较高的放大率。第二级放大器94为一共源级放大器,以针对第一级放大器93的输出信号进行第二次的放大及增加输出摆幅(output signalswing)。共模反馈电路95在放大器内部以作为比较输出共模电压电位变化来调整第一级迭接放大器的偏压电流Icmfb0。
因为漏电流会随着温度上升而增加,因此可以在高温时提供输入级电路92电流,而在一般温度下,漏电流并不明显,不影响差动二级放大器的电路运作。通过电流补偿晶体管MC提供的漏电流,可使得偏压电流Icmfb0不会降低为0,也不会造成差动二级放大器无法运作。
在图9的电路中,利用电流补偿晶体管MC提供的漏电流Imc作为输入级电路92的另一个输入电流源,使得原本在高温会降至0的电流Icmfb0,在超过一定温度后开始获得额外的电流调整,使得Icmfb0不再下降,共模反馈电路维持正常工作。关于电流补偿后的输入级电流模拟图,请参考图10A~10D。从图10B与图10D来看,电流补偿晶体管MC提供的漏电流Imc有效地补足Icmfb0减少的电流量。
至于电流补偿晶体管MC该如何选择,请参考下文说明。
由于我们是将晶体管漏电流用来弥补共模反馈电路所不足的调整电流,所以我们将补偿状况设定在晶体管漏电流等于共模反馈电路调整电流Icmfb0的变化量,因为Icmfb0为电流镜的方式产生的电流,所以其电流等于晶体管T15的电流:
再将Icmfb0电流变化代入晶体管饱和区电流公式,其中我们将升高温度后的Vcmfb电压命名为VcmfbHT,50℃为比较基准点命名为VcmfbT50,同时VT也以一样的规则作命名,得到共模反馈电路调整电流的变化量ΔI15:
加入温度的影响后可得到下列式子:
最后,将基准点温度(50℃)的共模反馈电路电流值IcmfbCM加上晶体管漏电流所提供的电流量必须大于温度变化产生的ΔI15来做最后补偿的判定式如下:
IcmfbCM-ΔI15+Imc>0 (3.30)
因此可得到电流补偿晶体管MC的尺寸如下:
通过式子3.31,便可在不同制造工艺下代入不同的参数值如α、β,以及设计的电压电流情况判断VDS及IcmfbCM,最终以调整晶体管尺寸的方式来符合各种状况下的使用。
此外,由于漏电流以指数型式增加,并且共模反馈电路提供的抑制电流Icmfb0只要不要降到0就可以使共模反馈电路正常工作。所以我们分析其最佳的补偿尺寸,可以得到一个最大需要补偿的目标,若达到此目标在更高温的变化状况下也可以达到补偿,我们视其为最佳补偿尺寸,如图11所示。
从图11来看,可得知约在100℃左右,电流补偿晶体管MC的尺寸最大,与图10B中Icmfb0电流的最低值对应的温度值相近,但是与未补偿前Icmfb0电流的最低值对应的温度值约110℃,如图5B,是不同的。
图12A与图12B则是有无电流补偿下,差动二级放大器中的电流Icmfb的示意图。图12A是没有电流补偿晶体管的情况下,电流Icmfb与温度的变化示意图。明显从图12A中可以发现,当温度在125度时,电流Icmfb趋近于0。图12B是具有电流补偿晶体管的差动二级放大器的电流Icmfb与温度的变化示意图。从图12B中可以发现,即使温度超过了125度,电流Icmfb仍不会接近0,如此以来共模反馈电路便可正常运作。
图13为本发明的一差动二级放大器的运作方法的一实施例的流程图。差动二级放大器包括偏压电路、输入级电路、第一级放大器、第二级放大器、共模反馈电路以及电流补偿晶体管。在步骤S1301中,计算共模反馈电路正常操作下的临界温度T。当电路温度大于临界温度T时,共模反馈电路便无法提供共模反馈电流给输入级电路,使得差动二级放大器无法正常运作。在步骤S1302中,根据该临界温度T求得一补偿电流。在步骤S1303中,根据该补偿电流计算该电流补偿晶体管的宽长比。
在步骤S1304中,判断此时电路的温度是否有大于该临界温度T。如果电路的温度大于T,则执行步骤S1305,此时因为共模反馈电路无法正常提供电流给输入级电路,因此由电流补偿晶体管提供电流给输入级电流。在本实施例中,因为是利用晶体管的漏电流特性设计电流补偿晶体管,使得电流补偿晶体管可以在高温时提供电流给输入级电流,而漏电流在温度低的时候并不明显,因此在电路温度低时,并不会发生电流补偿晶体管提供过多的电流给输入级电路的情况发生。如果电路的温度小于T,则执行步骤S1306,由共模反馈电路提供电流给输入级电路。
前述提到过多的电路元件在运作时会产生更多的热,使得差动二级放大器更容易受到温度影响,因此本发明利用晶体管的漏电流特性来补偿高温下,共模反馈电路无法提供电流的情形。但是本领域技术人员仍可设计特定电路以补偿差动二级放大器的输入电流。举例来说,本领域技术人员可设计一检测电路,用以检测共模反馈电路输出的共模反馈电流,且当共模反馈电流小于一预定值时,由一电流产生电路产生补偿电流,并将该补偿电流输入差动二级放大器的输入级电路。在另一实施方式中,利用一温度检测电路检测差动二级放大器的温度。当差动二级放大器的温度大于一临界温度T时,由一电流产生电路产生补偿电流,并将该补偿电流输入差动二级放大器的输入级电路。当差动二级放大器温度小于一临界温度T时,由共模反馈电路提供共模反馈电流给差动二级放大器的输入级电路。
但以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,当不能以此限定本发明实施的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外,摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用,并非用来限制本发明的权利范围。
Claims (10)
1.一种差动二级放大器,其特征在于,包括:
一输入级电路,接收一输入电流;
一偏压电路,耦接该输入级电路,产生一偏压电流;
一第一级放大电路,耦接该输入级电路;
一第二级放大电路,耦接该第一级放大电路;
一共模反馈电路,耦接该第二级放大电路,并根据一共模电压调整一共模反馈电流,其中该输入电流由该偏压电流与该共模反馈电流所组成;以及
一电流补偿电路,用以提供一补偿电流,其中当该差动二级放大器的一温度大于一预定温度值时,该共模反馈电流趋近于0,将该补偿电流输入该输入级电路以补足该共模反馈电流减少的电流量。
2.如权利要求1所述的差动二级放大器,其特征在于,该第一级放大电路为一迭接放大器。
3.如权利要求1所述的差动二级放大器,其特征在于,该第二级放大电路为一共源极放大器。
4.如权利要求1所述的差动二级放大器,其特征在于,当该差动二级放大器的该温度大于该预定温度值时,该共模反馈电路输出的共模反馈电流为0。
5.如权利要求1所述的差动二级放大器,其特征在于,该预定温度值是根据该共模反馈电路内的至少一个晶体管的一临界电压的一温度系数所求得。
6.如权利要求5所述的差动二级放大器,其特征在于,该温度系数与该晶体管的制造工艺有关。
7.如权利要求1所述的差动二级放大器,其特征在于,该电流补偿电路为一晶体管。
8.如权利要求7所述的差动二级放大器,其特征在于,该晶体管的宽长比是根据该补偿电流所决定。
9.一种差动二级放大器的运作方法,其特征在于,包括:
计算一差动二级放大器内的一共模反馈电路的一临界温度;
根据该临界温度计算一补偿电流;
当该差动二级放大器的一温度低于该临界温度时,该共模反馈电路提供一共模反馈电流给该差动二级放大器内的一输入级电路;以及
当该差动二级放大器的一温度高于该临界温度时,该共模反馈电路停止提供该共模反馈电流给该输入级电路,该输入级电路接收一电流补偿电路输出的一补偿电流。
10.如权利要求9所述的差动二级放大器的运作方法,其特征在于,该电流补偿电路为一晶体管。
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- 2014-10-08 CN CN201410526326.8A patent/CN105577130B/zh active Active
Patent Citations (3)
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