CN108718195A - 一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环。该电荷泵锁相环在锁相环路工作前,通过可配置启动电路B107对环路滤波器B103充电,产生启动电压,驱动振荡器偏置生成电路B104生成偏置电压,控制压控振荡器B105起振,使压控振荡器预先在接近目标频率的特定频率下起振,完成锁相环的启动。本发明与传统的电荷泵锁相环相比,用户能够根据实际需求,在锁相环开始正式工作之前,就通过配置信号使压控振荡器工作在特定的频率下,从而在锁相环开始工作之后加速锁相环的锁定过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,属于集成电路技术领域。
背景技术
锁相环是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术,能够提供低噪声的时钟信号,在无线通信、导航、计算机等领域中得到了广泛的应用。电荷泵锁相环是数模混合锁相环的典型代表,其理论静态相位误差为零,具有高速、低抖动、低功耗等显著优势,是目前应用最为广泛的锁相环。
随着集成电路工艺的不断进步和规模的持续增加,集成电路系统对锁相环电路性能的要求越来越高。锁定时间是锁相环的一个重要技术指标,缩短锁相环的锁定时间对于要求快速响应的高速集成电路系统具有重要意义。而对于传统的电荷泵锁相环,其环路滤波器的初始电压为零,压控振荡器不起振,故而锁相环开始工作后,需经过多个周期的环路调节才能使环路滤波器电压达到所需的值,即锁相环的锁定时间较长。
发明内容
本发明解决的技术问题为:克服现有技术的不足,提供一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,可配置启动电路可以根据用户的设置,在锁相环路开始工作之前,将环路滤波器电压预置在一个特定值,使压控振荡器预先在接近目标频率的特定频率下起振,从而显著减少锁相环开始工作后环路调节所需的时间,加快锁相环的锁定。
本发明解决的技术方案为:一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,包括启动电路B107和锁相环路,所述锁相环路包括鉴频鉴相器B101、电荷泵B102、环路滤波器B103、振荡器偏置生成电路B104、压控振荡器B105和反馈分频器B106;
锁相环路工作前,启动电路B107和振荡器偏置生成电路B104接收到启动信号时启动,启动电路B107根据外部输入的配置信号向环路滤波器B103输入充电电流,产生启动电压,输出给振荡器偏置生成电路B104;振荡器偏置生成电路B104根据启动电压产生两路偏置电压,输出给压控振荡器B105,当接收的启动电压达到预设值VLF预设时,振荡器偏置生成电路B104输出反馈控制信号关闭启动电路B107;所述预设值VLF预设由外部输入的配置信号确定;压控振荡器B105在所述两路偏置电压控制下振荡;
锁相环路工作时,鉴频鉴相器B101根据锁相环输入时钟和反馈分频器B106反馈时钟的相位差或频率差,得到控制信号输出给电荷泵B102;电荷泵B102在所述控制信号作用下,向环路滤波器B103输出电流;环路滤波器B103对接收的电流进行积分,得到控制电压输出给振荡器偏置生成电路B104;振荡器偏置生成电路B104根据接收的控制电压产生两路偏置电压,输出给压控振荡器B105;压控振荡器B105在两路偏置电压作用下,产生振荡时钟输出给外部和反馈分频器B106,反馈分频器B106将振荡时钟分频后反馈给鉴频鉴相器B101。
所述外部输入的配置信号SC由三位二进制编码构成。
启动电路B107包括PMOS管M200、PMOS管M201、PMOS管M202、开关S210、开关S211、开关S212、开关S213、开关S214、与门G220和反相器G230;
PMOS管M200的栅极接地,PMOS管M200的漏极连接开关S210的输入端,PMOS管M200的源极接电源;PMOS管M201的栅极接地,PMOS管M201的漏极连接开关S211的输入端,PMOS管M201的源极接电源;PMOS管M202的栅极接地,PMOS管M202的漏极连接开关S212的输入端,PMOS管M202的源极接电源;开关S210的输出端同时连接开关S211的输出端、开关S212的输出端、开关S213的输入端和开关S214的输入端,开关S210的控制端连接配置信号SC[0],开关S211的控制端连接配置信号SC[1];开关S212的控制端连接配置信号SC[2];开关S213的输出端接地,开关S213的控制端连接反相器G230的输出端;开关S214的输出端作为启动电路B107的启动电压输出端,开关S214的控制端同时连接与门G220的输出端和反相器G230的输入端;与门G220的第一输入端连接启动信号,第二输入端连接振荡器偏置生成电路B104的反馈控制信号FB。
PMOS管M200、PMOS管M201和PMOS管M202的沟道长度相同;PMOS管M201的宽度是PMOS管M200的2倍,PMOS管M202的宽度是PMOS管M200的4倍。
开关S210、开关S211、开关S212、开关S213和开关S214均在其控制端接收的信号为高电平时闭合,低电平时断开。
振荡器偏置生成电路B104包括与非门G300、反相器G310、PMOS管M320、PMOS管M321、PMOS管M322、PMOS管M323、PMOS管M324、PMOS管M325、PMOS管M326、NMOS管M330、NMOS管M331、NMOS管M332、NMOS管M333、NMOS管M334、开关S340、开关S341、开关S342和运算放大器A350;
与非门G300的第一输入端同时连接启动信号、反相器G310的输入端和PMOS管M321的栅极,与非门G300的第二输入端同时连接启动电路B107、NMOS管M330的漏极、NMOS管M331的漏极、开关S340的输出端、开关S341的输出端和开关S342的输出端,与非门G300的输出端连接PMOS管M320的栅极;反相器G310的输出端同时连接NMOS管M330的栅极和NMOS管M332的栅极;
PMOS管M320的漏极同时连接NMOS管M332的漏极、NMOS管M334的栅极、NMOS管M334的漏极和运算放大器A350的偏置电压输入端,PMOS管M320的源极接电源;PMOS管M321的漏极作为振荡器偏置电压生成电路B104的第二偏置电压输出端,PMOS管M321的漏极同时连接PMOS管M322的栅极、PMOS管M323的栅极、PMOS管M324的栅极、PMOS管M325的栅极、PMOS管M326的栅极和运算放大器A350的输出端,PMOS管M321的源极接电源;PMOS管M322的源极接电源;PMOS管M323的漏极作为振荡器偏置电压生成电路B104的第一偏置电压输出端,PMOS管M323的漏极同时连接NMOS管M333的栅极、NMOS管M333的漏极和运算放大器A350的正输入端,PMOS管M323的源极接电源;PMOS管M324的漏极连接开关S340的输入端,PMOS管M324的源极接电源;PMOS管M325的漏极连接开关S341的输入端,PMOS管M325的源极接电源;PMOS管M326的漏极连接开关S342的输入端,PMOS管M326的源极接电源;
NMOS管M330的源极接地;NMOS管M331的栅极同时连接环路滤波器B103和运算放大器A350的负输入端,NMOS管M331的源极接地;NMOS管M332的源极接地;NMOS管M333的源极接地;
开关S340控制端连接配置信号SC[0],开关S341控制端连接配置信号SC[1],开关S342控制端连接配置信号SC[2]。
开关S340、开关S341、开关S342均在其控制端接收的信号为高电平时闭合,低电平时断开。
PMOS管M324、PMOS管M325和PMOS管M326的沟道长度相同;PMOS管M325的宽度是PMOS管M324的2倍,PMOS管M326的宽度是PMOS管M324的4倍。
本发明与现有技术相比的有益效果在于:
(1)本发明通过启动电路和振荡器偏置生成电路,在锁相环开始工作前预置环路滤波器电压,使压控振荡器提前起振。用户可以根据实际使用需求,通过配置信号配置环路滤波器电压的预设值,使压控振荡器的起振频率尽可能接近目标频率值,从而显著减少锁相环开始工作后的锁定时间。
(2)在锁相环启动完成后,启动电路通过振荡器偏置生成电路的反馈信号自行断开,无需额外的控制信号或延时电路开销。
附图说明
图1为本发明的电荷泵锁相环整体结构示意图;
图2为本发明中启动电路的结构示意图;
图3为本发明中振荡器偏置生成电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
图1所示为本发明采用可配置启动电路的电荷泵锁相环整体结构示意图。采用可配置启动电路的电荷泵锁相环包括启动电路B107和锁相环路,锁相环路由鉴频鉴相器B101、电荷泵B102、环路滤波器B103、振荡器偏置生成电路B104、压控振荡器B105、反馈分频器B106组成。
鉴频鉴相器B101的第一输入端连接锁相环的输入时钟端CLKin,鉴频鉴相器B101的第二输入端连接反馈分频器B106的输出端,鉴频鉴相器B101的输出端连接电荷泵B102;电荷泵B102的输出端和启动电路B107的启动电压输出端与环路滤波器B103连接,环路滤波器B103连接振荡器偏置生成电路B104的电压输入端;振荡器偏置生成电路B104的使能信号输入端同时连接启动信号EN和启动电路B107的使能信号输入端,振荡器偏置生成电路B104的配置信号输入端同时连接配置信号SC和启动电路B107的配置信号输入端,振荡器偏置生成电路B104的反馈控制信号输出端连接启动电路B107的反馈控制信号输入端,振荡器偏置生成电路B104的第一偏置电压输出端连接压控振荡器B105的第一偏置电压输入端,振荡器偏置生成电路B104的第二偏置电压输出端连接压控振荡器B105的第二偏置电压输入端;压控振荡器B105的输出端同时连接锁相环的输出时钟端CLKOUT和反馈分频器B106的输入端。
锁相环路工作前,启动电路B107接收到启动信号EN时启动,根据外部输入的配置信号SC向环路滤波器B103输入充电电流,产生启动电压,输出给振荡器偏置生成电路B104;振荡器偏置生成电路B104接收到启动信号EN时启动,根据启动电压产生两路偏置电压VOUTN和VOUTP,输出给压控振荡器B105,当接收的启动电压达到预设值VLF预设时,振荡器偏置生成电路B104输出反馈控制信号FB关闭启动电路B107;其中预设值VLF预设由外部输入的配置信号SC确定;压控振荡器B105在所述两路偏置电压控制下振荡,锁相环路工作前的稳定振荡频率为f,f与VLF预设相关;
锁相环路工作时,鉴频鉴相器B101根据锁相环输入时钟CLKin和反馈分频器B106反馈时钟CLKfb的相位差或频率差,得到控制信号输出给电荷泵B102;电荷泵B102在所述控制信号作用下,向环路滤波器B103输出电流,所述电流的持续时间和方向由所述控制信号确定;环路滤波器B103对接收的电流进行积分,得到控制电压输出给振荡器偏置生成电路B104;振荡器偏置生成电路B104根据接收的控制电压产生两路偏置电压VOUTN和VOUTP,输出给压控振荡器B105;压控振荡器B105在两路偏置电压作用下,产生振荡时钟CLKout输出,并将振荡时钟CLKout通过反馈分频器B106分频后,反馈给鉴频鉴相器B101。
如图2所示,启动电路B107用于对环路滤波器B103进行预充电,预置环路滤波器电压,由PMOS管M200、PMOS管M201、PMOS管M202、开关S210、开关S211、开关S212、开关S213、开关S214、与门G220和反相器G230组成。其中开关S210、开关S211、开关S212、开关S213和开关S214均在其控制端输入信号为高电平时闭合,在控制信号为低电平时断开。
PMOS管M200的栅极接地,PMOS管M200的漏极连接开关S210的输入端,PMOS管M200的源极接电源;PMOS管M201的栅极接地,PMOS管M201的漏极连接开关S211的输入端,PMOS管M201的源极接电源;PMOS管M202的栅极接地,PMOS管M202的漏极连接开关S212的输入端,PMOS管M202的源极接电源;开关S210的输出端同时连接开关S211的输出端、开关S212的输出端、开关S213的输入端和开关S214的输入端,开关S210的控制端连接配置信号SC[0],开关S211的控制端连接配置信号SC[1];开关S212的控制端连接配置信号SC[2];开关S212的控制端连接启动电路B107的第3配置信号输入端SC[2];开关S213的输出端接地,开关S213的控制端连接反相器G230的输出端;开关S214的输出端连接启动电路B107的启动电压输出端,开关S214的控制端同时连接与门G220的输出端和反相器G230的输入端;与门G220的第一输入端连接启动电路B107的启动信号输入端,与门G220的第二输入端连接启动电路B107的反馈控制信号输入端。
PMOS管M200、PMOS管M201和PMOS管M202的尺寸具有以下关系:PMOS管M200、PMOS管M201和PMOS管M202的沟道长度相同;PMOS管M201的宽度是PMOS管M200的2倍,PMOS管M202的宽度是PMOS管M200的4倍。通过采用该尺寸设计,经配置信号SC的控制,启动电路就可以产生7种不同大小的启动电压。用户能够根据实际使用需求选取特定的启动电压值,从而提高了启动电路的灵活性和适应性。
振荡器偏置生成电路B104接收环路滤波器B103的输出电压,生成两路偏置电压VOUTP和VOUTN,输出到压控振荡器,用于控制压控振荡器的振荡频率。同时,振荡器偏置生成电路B104还产生反馈控制信号FB,用于切断启动电路B107。如图3所示,振荡器偏置生成电路B104包括与非门G300、反相器G310、PMOS管M320、PMOS管M321、PMOS管M322、PMOS管M323、PMOS管M324、PMOS管M325、PMOS管M326、NMOS管M330、NMOS管M331、NMOS管M332、NMOS管M333、NMOS管M334、开关S340、开关S341、开关S342和运算放大器A350。
与非门G300的第一输入端同时连接启动信号、反相器G310的输入端和PMOS管M321的栅极,与非门G300的第二输入端作为振荡器偏置电压生成电路B104的反馈控制信号输出端,同时连接NMOS管M330的漏极、NMOS管M331的漏极、开关S340的输出端、开关S341的输出端和开关S342的输出端,与非门G300的输出端连接PMOS管M320的栅极;反相器G310的输出端同时连接NMOS管M330的栅极和NMOS管M332的栅极。
PMOS管M320的漏极同时连接NMOS管M332的漏极、NMOS管M334的栅极、NMOS管M334的漏极和运算放大器A350的偏置电压输入端,PMOS管M320的源极接电源;PMOS管M321的漏极同时连接振荡器偏置电压生成电路B104的第二偏置电压输出端、PMOS管M322的栅极、PMOS管M323的栅极、PMOS管M324的栅极、PMOS管M325的栅极、PMOS管M326的栅极和运算放大器A350的输出端,PMOS管M321的源极接电源;PMOS管M322的源极接电源;PMOS管M323的漏极同时连接振荡器偏置电压生成电路B104的第一偏置电压输出端、NMOS管M333的栅极、NMOS管M333的漏极和运算放大器A350的正输入端,PMOS管M323的源极接电源;PMOS管M324的漏极连接开关S340的输入端,PMOS管M324的源极接电源;PMOS管M325的漏极连接开关S341的输入端,PMOS管M325的源极接电源;PMOS管M326的漏极连接开关S342的输入端,PMOS管M326的源极接电源。
NMOS管M330的源极接地;NMOS管M331的栅极同时连接环路滤波器B103的输出端和运算放大器A350的负输入端,NMOS管M331的源极接地;NMOS管M332的源极接地;NMOS管M333的源极接地。
开关S340控制端连接配置信号SC[0],开关S341控制端连接配置信号SC[1],开关S342控制端连接配置信号SC[2]。
PMOS管M324、PMOS管M325和PMOS管M326的沟道长度相同;PMOS管M325的宽度是PMOS管M324的2倍,PMOS管M326的宽度是PMOS管M324的4倍。PMOS管M324、PMOS管M325、PMOS管M326和NMOS管M331构成一个带偏斜反相器。根据配置信号SC的不同,该反相器的翻转阈值也不同,并且该翻转阈值与启动电压的预设值基本相等。
启动电路B107和振荡器偏置生成电路B104是实现锁相环启动功能的主要模块。锁相环路工作前(外部还未输入CLKin),启动信号EN为低电平,则振荡器偏置生成电路B104中的反相器G310输出高电平,NMOS管M330导通,将反馈控制信号FB下拉至低电平。此时,启动电路B107中的与门G220输出低电平信号,控制开关S214断开,同时反相器G230输出高电平信号,控制开关S213闭合,启动电路处于未工作状态。当启动信号EN跳变为高电平,同时从外部输入配置信号SC时,锁相环开始启动,启动过程如下:
(1)PMOS管M321被关断,PMOS管M324、PMOS管M325和PMOS管M326的栅极电位被拉低,使得PMOS管M324、PMOS管M325和PMOS管M326导通,同时NMOS管M330被关断,反馈控制信号FB升高到高电平。
(2)与门G300的输出信号跳变为低电平,使PMOS管M320导通,拉高NMOS管M334的栅极电位,运算放大器A350开始工作。同时与门G220的输出信号跳变为高电平,控制开关S214闭合,同时反相器G230的输出信号跳变为低电平,控制开关S213断开,启动电路B107开始工作。根据配置信号SC,电源经PMOS管M200、PMOS管M201和PMOS管M202中的一个或多个对环路滤波器B103充电,启动电压VLF开始上升,从而驱动电压VOUTN升高、电压VOUTP下降,压控振荡器B105开始起振。
(3)PMOS管M324、PMOS管M325、PMOS管M326和NMOS管M331构成一个带偏斜反相器。根据配置信号SC的不同,该反相器的翻转阈值也不同,并且该翻转阈值与启动电压的预设值基本相等。启动电压上升到预设值后,驱动反馈控制信号FB跳变为低电平,从而使与门G220的输出信号跳变为低电平,控制开关S214断开,同时反相器G230的输出信号跳变为高电平,控制开关S213闭合,启动电路B107停止工作,并从锁相环主电路切出,启动电压VLF停止变化,压控振荡器B105在预定频率振荡,锁相环启动过程结束,停止从外部输入配置信号SC。
当外部输入CLKin时,锁相环路(由鉴频鉴相器B101、电荷泵B102、环路滤波器B103、振荡器偏置生成电路B104、压控振荡器B105和反馈分频器B106组成)开始工作。
本说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:包括启动电路B107和锁相环路,所述锁相环路包括鉴频鉴相器B101、电荷泵B102、环路滤波器B103、振荡器偏置生成电路B104、压控振荡器B105和反馈分频器B106;
锁相环路工作前,启动电路B107和振荡器偏置生成电路B104接收到启动信号时启动,启动电路B107根据外部输入的配置信号向环路滤波器B103输入充电电流,产生启动电压,输出给振荡器偏置生成电路B104;振荡器偏置生成电路B104根据启动电压产生两路偏置电压,输出给压控振荡器B105,当接收的启动电压达到预设值VLF预设时,振荡器偏置生成电路B104输出反馈控制信号关闭启动电路B107;所述预设值VLF预设由外部输入的配置信号确定;压控振荡器B105在所述两路偏置电压控制下振荡;
锁相环路工作时,鉴频鉴相器B101根据锁相环输入时钟和反馈分频器B106反馈时钟的相位差或频率差,得到控制信号输出给电荷泵B102;电荷泵B102在所述控制信号作用下,向环路滤波器B103输出电流;环路滤波器B103对接收的电流进行积分,得到控制电压输出给振荡器偏置生成电路B104;振荡器偏置生成电路B104根据接收的控制电压产生两路偏置电压,输出给压控振荡器B105;压控振荡器B105在两路偏置电压作用下,产生振荡时钟输出给外部和反馈分频器B106,反馈分频器B106将振荡时钟分频后反馈给鉴频鉴相器B101。
2.根据权利要求1所述的一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:所述外部输入的配置信号SC由三位二进制编码构成。
3.根据权利要求2所述的一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:启动电路B107包括PMOS管M200、PMOS管M201、PMOS管M202、开关S210、开关S211、开关S212、开关S213、开关S214、与门G220和反相器G230;
PMOS管M200的栅极接地,PMOS管M200的漏极连接开关S210的输入端,PMOS管M200的源极接电源;PMOS管M201的栅极接地,PMOS管M201的漏极连接开关S211的输入端,PMOS管M201的源极接电源;PMOS管M202的栅极接地,PMOS管M202的漏极连接开关S212的输入端,PMOS管M202的源极接电源;开关S210的输出端同时连接开关S211的输出端、开关S212的输出端、开关S213的输入端和开关S214的输入端,开关S210的控制端连接配置信号SC[0],开关S211的控制端连接配置信号SC[1];开关S212的控制端连接配置信号SC[2];开关S213的输出端接地,开关S213的控制端连接反相器G230的输出端;开关S214的输出端作为启动电路B107的启动电压输出端,开关S214的控制端同时连接与门G220的输出端和反相器G230的输入端;与门G220的第一输入端连接启动信号,第二输入端连接振荡器偏置生成电路B104的反馈控制信号FB。
4.根据权利要求3所述的一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:PMOS管M200、PMOS管M201和PMOS管M202的沟道长度相同;PMOS管M201的宽度是PMOS管M200的2倍,PMOS管M202的宽度是PMOS管M200的4倍。
5.根据权利要求3所述的一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:开关S210、开关S211、开关S212、开关S213和开关S214均在其控制端接收的信号为高电平时闭合,低电平时断开。
6.根据权利要求2所述的一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:振荡器偏置生成电路B104包括与非门G300、反相器G310、PMOS管M320、PMOS管M321、PMOS管M322、PMOS管M323、PMOS管M324、PMOS管M325、PMOS管M326、NMOS管M330、NMOS管M331、NMOS管M332、NMOS管M333、NMOS管M334、开关S340、开关S341、开关S342和运算放大器A350;
与非门G300的第一输入端同时连接启动信号、反相器G310的输入端和PMOS管M321的栅极,与非门G300的第二输入端同时连接启动电路B107、NMOS管M330的漏极、NMOS管M331的漏极、开关S340的输出端、开关S341的输出端和开关S342的输出端,与非门G300的输出端连接PMOS管M320的栅极;反相器G310的输出端同时连接NMOS管M330的栅极和NMOS管M332的栅极;
PMOS管M320的漏极同时连接NMOS管M332的漏极、NMOS管M334的栅极、NMOS管M334的漏极和运算放大器A350的偏置电压输入端,PMOS管M320的源极接电源;PMOS管M321的漏极作为振荡器偏置生成电路B104的第二偏置电压输出端,PMOS管M321的漏极同时连接PMOS管M322的栅极、PMOS管M323的栅极、PMOS管M324的栅极、PMOS管M325的栅极、PMOS管M326的栅极和运算放大器A350的输出端,PMOS管M321的源极接电源;PMOS管M322的源极接电源;PMOS管M323的漏极作为振荡器偏置电压生成电路B104的第一偏置电压输出端,PMOS管M323的漏极同时连接NMOS管M333的栅极、NMOS管M333的漏极和运算放大器A350的正输入端,PMOS管M323的源极接电源;PMOS管M324的漏极连接开关S340的输入端,PMOS管M324的源极接电源;PMOS管M325的漏极连接开关S341的输入端,PMOS管M325的源极接电源;PMOS管M326的漏极连接开关S342的输入端,PMOS管M326的源极接电源;
NMOS管M330的源极接地;NMOS管M331的栅极同时连接环路滤波器B103和运算放大器A350的负输入端,NMOS管M331的源极接地;NMOS管M332的源极接地;NMOS管M333的源极接地;
开关S340控制端连接配置信号SC[0],开关S341控制端连接配置信号SC[1],开关S342控制端连接配置信号SC[2]。
7.根据权利要求6所述的一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:开关S340、开关S341、开关S342均在其控制端接收的信号为高电平时闭合,低电平时断开。
8.根据权利要求6所述的一种采用可配置启动电路的电荷泵锁相环,其特征在于:PMOS管M324、PMOS管M325和PMOS管M326的沟道长度相同;PMOS管M325的宽度是PMOS管M324的2倍,PMOS管M326的宽度是PMOS管M324的4倍。
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