CN112737904B - 具有输入共模电压侦测的接收器电路 - Google Patents
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Abstract
一种具有输入共模电压侦测的接收器电路,适于一控制器局域网络,并包含连接于该控制器局域网络的高压端与低压端之间的一电阻器组合、一共模电压侦测器与一接收放大器。电阻器组合执行降压并在第一、第二节点分别产生一高端分压与一低端分压,接收放大器接收该些分压并输出一结果信号,将其传送至控制器局域网络的输出端。共模电压侦测器连接于电阻器组合与接收放大器之间,其可侦测总线上的共模电压信号并控制电阻器组合上的电压位准,缘此,控制器局域网络的接收器电路能够接收具有更为宽广输入共模信号范围的差动信号。
Description
技术领域
本发明有关于一种控制器局域网络的接收器电路,特别是一种具有输入共模电压侦测的接收器电路,使其可接收信号范围介于最大共模电压和最小共模电压之间的输入端信号。
背景技术
控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)是在1990年代初所制定的规格,并在1993年经标准化(ISO 11898-1),而被广泛的应用在各种车辆与电子装置上。一般而言,控制器局域网络(CAN)包括一序列总线,它提供高安全等级及有效率的实时控制,更具备了侦错和优先权判别的机制,以在这样的机制下,使得网络信息的传输变的更为可靠而有效率。以目前的发展看来,现有的控制器局域网络,不仅拥有了高度的弹性调整能力,可以在既有的网络中增加站台而不用在软硬件上进行修正与调整的作业,除此之外,其信息的传递并非建构在特殊种类的站台上,更增加了在升级网络时的便利性。
在车用状态中,不同的通讯节点其接地端子之间常存在有极大的接地电压偏移。而此接地电压偏移的最高位准也将随着当未来的车辆使用具有更高输出电压的电池时而与的遽增。举例来说,在传统的汽油车上所使用的电池的输出电压位准为12V。但是,基于较长的电池寿命,现代电动汽车中使用的电池的输出电压位准已经增加到48V。有鉴于此,在不同通信节点的接地端子之间存在有较大接地电压偏移的情况下,实有其必要性持续地改善CAN收发器集成电路的共模输入电压范围(common mode input voltage range),方可持续正常的接收信息。除此之外,为了避免来自通讯网络的电磁干扰(electromagneticemission,EME)会影响到车用的其他功能,也必须将CAN总线上的共模信号维持在固定的直流电压位准,并且避免在电路操作中产生有共模信号不必要的高频波动。
请参考图1所示,其为现有技术控制器局域网络中一传统收发器集成电路的示意图,图2为根据图1的电路操作于一主动状态(dominant state)及一被动状态(recessivestate)的示意图。可以显见的是,控制器局域网络主要具有两种状态:当传输数据信号为1的被动状态R与传输数据信号为0的主动状态D。在主动状态D时,发送器产生一高压端电压VCANH与一低压端电压VCANL至控制器局域网络总线的高压端CANH与低压端CANL,并且(VCANH+VCANL)的总和会等于二倍的(控制器局域网络总线的共模信号)。众所周知的是,为了维持较低的EME水平,(VCANH+VCANL)的值在主动状态D与被动状态R之间的过渡期间仍应维持恒定并保持在一固定数值。
在主动状态D时:发送器(TX)中的第一场效晶体管MP1与第二场效晶体管MN1被开启。
VCANH+VCANL=VCC*(2*RONMN1+60)/(RONMP1+RONMN1+60); (1)
其中,RONMP1为第一场效晶体管MP1的导通电阻,RONMN1为第二场效晶体管MN1的导通电阻,电阻RP1与电阻RN1各自为30欧姆,60为该两个电阻RP1,RN1的电阻值的总和。
在被动状态R时:发送器(TX)中的第一场效晶体管MP1与第二场效晶体管MN1被关闭。
运算放大器OP1将会驱使该高压端电压VCANH与低压端电压VCANL为VCMREF。
VCANH+VCANL=2*VCMREF; (2)
续请参阅下列公式(3)。为了维持公式(1)及(2)中的VCANH+VCANL在主动状态与被动状态下相等,以实现低电磁干扰(EME)的目的,在发送器端增设一个可用以产生VCMREF的参考电压产生电路有其必要性。其中,该VCMREF与控制器局域网络总线在主动状态D时的共模信号相等。
(控制器局域网络总线的共模信号)=1/2*(VCANH+VCANL)=VCMREF=VCC*(RONMN1+30)/(RONMP1+RONMN1+60); (3)
更进一步而言,请参阅图3所示,其为图1电路中接收器(RX)的示意图。已知,控制器局域网络总线总在线的共模电压为:
(VCM_BUS)=[VCANH+VCANL]/2。接收放大器输入端上的共模电压为:
(VCM_DIV)=[VCANHDIV+VCANLDIV]/2。在一般情况下,R1=R4,R2=R3,
(VCM_DIV)=(VCM_BUS-VCMREF)*[R2/(R1+R2)]+VCMREF。
假设[R2/(R1+R2)]=1/15,VCMREF=2.5V。
当VCM_BUS=+50V时,VCM_DIV=(50-2.5)/15+2.5=5.667V。
当VCM_BUS=-50V时,VCM_DIV=(-50-2.5)/15+2.5=-1V。
因此,所得到VCM_DIV与VCM_BUS(+50V~-50V)的电压信号关系如图4所示。由此揭示的电压关系图中可以显见,为了接收CAN总线具有+50V至-50V共模范围的信号,现有技术中所使用的接收放大器必须具备能接收(-1V至5.667V)的输入共模电压范围的能力,而此范围明显超出传统CAN总线供应电压的额定范围(5V至0V)。如此一来,便必须额外专门设计一特殊规格的接收放大器,从而大幅增加了电路的复杂度。
缘此,考虑到上述所列的诸多问题点,极需要采纳多方面的考虑。故,本发明提供一种新颖的接收器电路,该接收器电路具有输入共模电压侦测的能力,并通过此创新的电路架构,可以接收具有较为宽广范围输入共模电压(+50V~-50V)的差动信号,由此解决现有技术存在已久的诸等缺失,其具体的架构及实施方式将详述于下。
发明内容
为解决现有技术存在的问题,本发明的一目的在于提供一种创新的接收器电路,其具有输入共模电压侦测的能力,通过采用本发明所揭露的具有输入共模电压侦测的接收器电路,控制器局域网络的接收器可在无需额外设计电路与增加其电路复杂度的情况下,有效在传统CAN供应电压(0V~5V)的范围外成功接收更为宽广的输入共模信号范围(+50V~-50V)。
为了实现上述发明目的,本发明旨在提供一种具有输入共模电压侦测的接收器电路,其电性连接于一控制器局域网络的接收器电路的输出端,并可应用于控制器局域网络的一收发集成电路中。该接收器电路包括有一电阻器组合、一共模电压侦测器以及一接收放大器。
其中,电阻器组合电性连接于控制器局域网络的一高压端(CANH)与一低压端(CANL),并包含一第一电阻、一第二电阻、一第三电阻、以及一第四电阻。第一电阻与第二电阻之间具有一第一节点。第三电阻与第四电阻之间具有一第二节点。第二电阻与第三电阻之间具有一第三节点。第一电阻电性连接于所述的高压端与第一节点。第四电阻电性连接于所述的低压端与第二节点。该电阻器组合自所述的高压端接收一高压端电压(VCANH),并自所述的低压端接收一低压端电压(VCANL)。的后,电阻器组合执行降压,并在该第一节点输出一高端分压(VCANHDIV)、在该第二节点输出一低端分压(VCANLDIV)、以及在该第三节点(CT)输出一接点电压(VCT)。
共模电压侦测器具有一侦测输入端与一侦测输出端。侦测输入端电性连接于一参考电压源(VCMREF),侦测输出端电性连接于该电阻器组合的第三节点。共模电压侦测器更包含有一第一输入端、一第二输入端、以及一第三输入端。其中,第一输入端电性连接于所述的第一节点并接收该高端分压(VCANHDIV),第二输入端电性连接于所述的第二节点并接收该低端分压(VCANLDIV),第三输入端电性连接于所述的第三节点(CT)并接收该接点电压(VCT)。缘此,该共模电压侦测器可在其侦测输出端产生并输出一侦测输出电压(VSENSE_O)。
接收放大器具有一第一接收端与一第二接收端。其中,第一接收端电性连接于电阻器组合的第一节点并接收该高端分压(VCANHDIV),第二接收端电性连接于电阻器组合的第二节点并接收该低端分压(VCANLDIV)。缘此,该接收放大器可据以产生并输出一结果信号,并将该结果信号传送至控制器局域网络的接收器电路的输出端。
根据本发明的一实施例,其中,本发明所教示的共模电压侦测器的功能包括判断:
1.当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,则侦测输出电压(VSENSE_O)被设至一接地电压(GND);否则该侦测输出电压(VSENSE_O)为该参考电压源(VCMREF)。
抑或是,根据本发明的又一实施例,其中,本发明所教示的共模电压侦测器的功能包括判断:
2.当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,则侦测输出电压(VSENSE_O)被设至一电源电压(VCC);否则该侦测输出电压(VSENSE_O)为该参考电压源(VCMREF)。
又或是,根据本发明的再一实施例,其中,本发明所教示的共模电压侦测器的功能包括判断:
3.当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,则侦测输出电压(VSENSE_O)被设至一接地电压(GND);以及
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,则侦测输出电压(VSENSE_O)被设至一电源电压(VCC);以及
当{VCT-VTH_SEN}<{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT+VTH_SEN}时,则侦测输出电压(VSENSE_O)为该参考电压源(VCMREF)。
其中,根据本发明所公开的技术方案,VTH_SEN为储存于共模电压侦测器的一比较器中的预定阈值。
总括来说,根据本发明所教示的技术内容,其中上述所举三种关于共模电压侦测器的判断机制的实施方式都可以根据其接收放大器的输入共模电压信号接收范围而定。并且,亦可根据接收放大器的输入共模电压信号的接收范围而作一调整或变化。一般而言,本领域技术人员能够在不脱离本发明精神的前提下,根据本发明所披露的技术方案进行适当的修饰或变化,惟仍应落入本发明的发明范畴。
更进一步而言,在本发明的实施例中,所述的共模电压侦测器由一比较器与一运算放大器所组成。比较器由所述的第一输入端接收该高端分压(VCANHDIV)、由所述的第二输入端接收该低端分压(VCANLDIV)、以及由所述的第三输入端(CT)接收该接点电压(VCT),以产生并输出1.一第一生成信号(PL),或是2.一第二生成信号(PU),或是3.同时产生并输出一第一生成信号(PL)与一第二生成信号(PU)。
运算放大器电性连接该比较器并接收1.该第一生成信号(PL),或是2.该第二生成信号(PU),或是3.同时接收该第一生成信号(PL)与第二生成信号(PU),缘此,运算放大器可据以产生并输出一运算输出信号作为所述的侦测输出电压(VSENSE_O)。
其中,根据本发明的一实施例:
1.当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,则该第一生成信号(PL)为该电源电压(VCC),该第二生成信号(PU)可被移除,或为该接地电压(GND)。
或是,根据本发明的又一实施例:
2.当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,则该第二生成信号(PU)为该电源电压(VCC),该第一生成信号(PL)可被移除,或为该接地电压(GND)。
抑或是,根据本发明的再一实施例:
3.当{VCT-VTH_SEN}<{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT+VTH_SEN}时,则该第一生成信号(PL)与该第二生成信号(PU)皆为该接地电压(GND)。在此实施例中,运算放大器为一具有单增益反馈连接的反向闭路循环放大器,以产生该侦测输出电压(VSENSE_O)为该参考电压源(VCMREF)。
综上所陈,由此显见,本发明公开了一种控制器局域网络的接收器电路,特别是一种具有输入共模电压侦测能力的接收器电路。因此,通过采用本发明所揭露的布局设计,该接收器电路可成功地接收信号范围介于最大共模电压和最小共模电压之间的输入端信号,同时降低其电磁干扰。除此之外,本发明所提出的电路架构可在无须额外增加电路复杂度与制作成本的前提下,有效地解决了诚如前述所讨论的现有技术中多存在的缺失及其问题。缘此,本申请人确信本发明所教示的技术方案可用于取代传统的接收器电路,并可提供接收端更为宽广的共模输入电压范围。
以下进一步通过具体实施例配合所附的图式详加说明,当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1为现有技术控制器局域网络中一传统收发器集成电路的示意图。
图2为根据图1的电路操作于一主动状态及一被动状态的示意图。
图3为图1电路中接收器(RX)的示意图。
图4为根据图1的电路结果其VCM_DIV与VCM_BUS(+50V~-50V)的电压信号关系图。
图5为根据本发明第一实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路的电路架构图。
图6为根据本发明第一实施例中共模电压侦测器的侦测输出电压VSENSE_O的电压示意图。
图7为根据本发明第一实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,当应用于一控制器局域网络的收发集成电路时的系统架构图。
图8为根据本发明第一实施例的电路结果其VCM_DIV与VCM_BUS(+50V~-50V)的电压信号关系图。
图9为根据本发明第一实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其具体的细部电路示意图。
图10A为根据本发明第二实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其具体的细部电路示意图。
图10B为根据图10A的第二实施例中,其接收放大器的细部电路示意图。
图11为根据本发明第二实施例中共模电压侦测器的侦测输出电压VSENSE_O的电压示意图。
图12A为根据本发明第三实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其具体的细部电路示意图。
图12B为根据图12A的第三实施例中,其接收放大器的细部电路示意图。
图13为根据本发明第三实施例中共模电压侦测器的侦测输出电压VSENSE_O的电压示意图。
附图标记说明:1~接收器电路;22~电阻器组合;24~共模电压侦测器;24a~共模电压侦测器;24b~共模电压侦测器;242~比较器;244~运算放大器;26~接收放大器;26a~接收放大器;26b~接收放大器;30~发送器;32~反相器;Q1~晶体管;Q2~晶体管;Q3~晶体管;Q4~晶体管;Q5~晶体管;Q6~晶体管;Q7~晶体管;Q8~晶体管;R1~第一电阻;R2~第二电阻;R3~第三电阻;R4~第四电阻;R11~电阻;R12~电阻;R13~电阻;R14~电阻;R15~电阻;R16~电阻;PL1~负载;PL2~负载;NL1~负载;NL2~负载;IB1~电流源;IB2~电流源;IB3~电流源;IB4~电流源;Amp1~第一输出放大器;Amp2~第二输出放大器;MP1~第一场效晶体管;MN1~第二场效晶体管;RP1~电阻;RN1~电阻;OP1~运算放大器;TXD~发送器输入端;RXD~输出端N1~第一节点;N2~第二节点;CT~第三节点;CANH~CAN高压端;CANL~CAN低压端;VCANH...高压端电压;VCANL~低压端电压;VCANHDIV~高端分压;VCANLDIV~低端分压;VCT~接点电压;VCMREF~参考电压源;SENSE_I~侦测输入端;SENSE_O~侦测输出端;IN_P1~第一输入端;IN_P2~第二输入端;IN_N~第三输入端;VSENSE_O~侦测输出电压;GND~接地电压;VCC~电源电压;IN_R1~第一接收端;IN_R2~第二接收端;VCC_END~电源端;GND_END~接地端;VTH_SEN~预定阈值;PL~第一生成信号;PU~第二生成信号;IN+~第一运算输入端;IN-~第二运算输入端;OUT~运算输出端。
具体实施方式
以上有关于本发明的内容说明,与以下的实施方式用以示范与解释本发明的精神与原理,并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。有关本发明的特征、实作与功效,兹配合图式作较佳实施例详细说明如下。
其中,参考本发明的优选实施例,其示例于附图中示出,并在其附图与说明书中,本发明尽可能使用相同的附图标记指代相同或相似的组件。
以下本发明所公开的实施方式为了阐明本发明的技术内容及其技术特点,并为了使本领域的技术人员能够理解、制造、与使用本发明。然而,应注意的是,该些实施方式并非用以限制本发明的发明范畴。因此,根据本发明精神的任何均等修改或其变化例,亦应也当涵盖于本发明的发明范围内,合先叙明。
控制器局域网络(controller area network,CAN)为现今国际上所广泛使用的一种区域性总线之一,其具有高比特率、高抗扰能力与极佳的错误检测能力,因此,控制器局域网络迄今已可广泛地应用于汽车或飞机工业。本发明所揭露的一种具有输入共模电压侦测的接收器电路,相较于传统的接收器电路,其旨在于通过采用一共模电压侦测器,能够使得本发明所公开的接收器电路可应用于接收更为宽广的共模输入电压范围。首先,请参阅本发明图示图5,其为根据本发明第一实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其电路架构图。如图5所示,接收器电路1电性连接于控制器局域网络的接收器电路1的一输出端RXD,并可应用于控制器局域网络的一收发集成电路(transceiver integration circuit)中。该接收器电路1包括有一电阻器组合(resistor assembly)22、一共模电压侦测器(common mode voltage sensor)24以及一接收放大器(receiving amplifier)26。该接收器电路1的主要目的在于放大一控制器局域网络(CAN)高压端CANH及控制器局域网络(CAN)低压端CANL之间的差动信号(differential signals),并在其输出端RXD上将其转换为单端(single-end)的数字信号,使其电压位准可在电源端与接地端之间进行切换。
其中,根据本发明的实施例,电阻器组合22电性连接于控制器局域网络的CAN高压端CANH与CAN低压端CANL,并包含依序串接的一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第三电阻R3、以及一第四电阻R4。第一电阻R1与第二电阻R2之间具有一第一节点N1。第三电阻R3与第四电阻R4之间具有一第二节点N2。第二电阻R2与第三电阻R3之间具有一第三节点CT。第一电阻R1电性连接于所述的CAN高压端CANH与第一节点N1。第四电阻R4电性连接于所述的CAN低压端CANL与第二节点N2。该电阻器组合22自所述的CAN高压端CANH接收一高压端电压VCANH,并自所述的CAN低压端CANL接收一低压端电压VCANL。之后,电阻器组合22降压并在该第一节点N1输出一高端分压VCANHDIV、在该第二节点N2输出一低端分压VCANLDIV、以及在该第三节点CT输出一接点电压VCT。
该电阻器组合22的功能在于可在电路操作于被动状态(recessive state)时,在所述的CAN高压端CANH与CAN低压端CANL之间提供高阻抗(一般而言约为30K欧姆),并略为衰减该CAN高压端CANH与CAN低压端CANL之间的共模电压,以避免输入电压过高而烧毁其内部的晶体管。
根据本发明的实施例,共模电压侦测器24具有一侦测输入端SENSE_I与一侦测输出端SENSE_O。侦测输入端SENSE_I电性连接于一参考电压源VCMREF,侦测输出端SENSE_O电性连接于该电阻器组合22的第三节点CT。共模电压侦测器24更包含有一第一输入端IN_P1、一第二输入端IN_P2、以及一第三输入端IN_N。其中,第一输入端IN_P1电性连接于所述的第一节点N1并接收该高端分压VCANHDIV,第二输入端IN_P2电性连接于所述的第二节点N2并接收该低端分压VCANLDIV,第三输入端IN_N电性连接于所述的第三节点CT并接收该接点电压VCT。缘此,在从第一输入端IN_P1接收到高端分压VCANHDIV,第二输入端IN_P2接收到低端分压VCANLDIV,以及第三输入端IN_N接收到接点电压VCT后,该共模电压侦测器24便经由精密的设计以在其侦测输出端SENSE_O产生并输出一侦测输出电压VSENSE_O。
根据本发明的实施例,接收放大器26具有一第一接收端IN_R1与一第二接收端IN_R2。其中,第一接收端IN_R1电性连接于电阻器组合22的第一节点N1并接收该高端分压VCANHDIV,第二接收端IN_R2电性连接于电阻器组合22的第二节点N2并接收该低端分压VCANLDIV。缘此,在接收到该高端分压VCANHDIV以及该低端分压VCANLDIV的后,接收放大器26可据以产生并输出一结果信号,并将其传送至控制器局域网络的接收器电路1的输出端RXD。
图6为根据本发明第一实施例中共模电压侦测器的侦测输出电压VSENSE_O的电压示意图,从图6中可以看出本发明所揭露的共模电压侦测器24其判断机制包含:
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,则侦测输出电压VSENSE_O被设至一接地电压GND;以及
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,则侦测输出电压VSENSE_O被设至一电源电压VCC,其中,VTH_SEN为一预定阈值;
否则,当{VCT-VTH_SEN}<{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT+VTH_SEN}时,则侦测输出电压VSENSE_O为该参考电压源VCMREF。
图7为根据本发明第一实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,当应用于一控制器局域网络的收发集成电路时的系统架构图。如图中所示,该控制器局域网络的收发集成电路更进一步包括一发送器30,发送器30电性连接于该控制器局域网络总线的CAN高压端CANH与CAN低压端CANL。本发明所公开的具有输入共模电压侦测的接收器电路1经由该控制器局域网络总线的CAN高压端CANH与CAN低压端CANL电性连接该发送器30。发送器30为一种可适用于控制器局域网络总线的标准发送器结构,其具有一电源端VCC_END、一第一场效晶体管MP1、一发送器输入端TXD、一第二场效晶体管MN1、一反相器32、以及一接地端GND_END。电阻RP1与电阻RN1各自为30欧姆,并连接于发送器30的输出端以产生CAN高压端CANH及CAN低压端CANL的电压。
根据本发明的实施例,发送器30电性连接于该高压端与该低压端,并在电路操作于主动状态(dominant state)时,传送一差动信号至该高压端与该低压端。而此差动信号的共模电压(common mode voltage)便可被提供并作为所述的参考电压源。
当发送器输入端TXD的电压值为零时,电路操作于主动状态D,此时第一场效晶体管MP1与第二场效晶体管MN1被开启。在此情况下,第一场效晶体管MP1、第二场效晶体管MN1、30欧姆的电阻RP1与30欧姆的电阻RN1串接于电源端VCC_END与接地端GND_END之间以进行分压,并且产生该控制器局域网络总线的高压端电压VCANH与低压端电压VCANL。其中,电源端VCC_END提供所述的电源电压VCC,而接地端GND_END提供所述的接地电压GND。
在主动状态D时,高压端电压VCANH、低压端电压VCANL、以及该控制器局域网络总线的高压端CANH与低压端CANL的共模电压可分别通过下列公式(4)至(6)所表示。
VCANH=VCC*(RONMN1+60)/(RONMP1+RONMN1+60); (4)
VCANL=VCC*(RONMN1)/(RONMP1+RONMN1+60); (5)
在主动状态D时的共模电压=1/2*(VCANH+VCANL)=VCC*(RONMN1+30)/(RONMP1+RONMN1+60) (6)
其中,VCC为电源端VCC_END所提供的电源电压,RONMP1为第一场效晶体管MP1的导通电阻(turn-on resistance),RONMN1为第二场效晶体管MN1的导通电阻,电阻RP1与电阻RN1各自为30欧姆,60为该两个电阻RP1,RN1的电阻值的总和。
另一方面而言,当发送器输入端TXD的电压值为VCC时,电路操作于被动状态R,在此被动状态R下,第一场效晶体管MP1与第二场效晶体管MN1被关闭。在没有其他控制器局域网络收发器输入信号的情况下,本发明所公开的共模电压侦测器24将会驱使CAN高压端CANH的高压端电压VCANH与CAN低压端CANL的低压端电压VCANL同时为VCMREF。因此,在被动状态R时,该控制器局域网络总线的高压端CANH与低压端CANL的共模电压可以下列公式(7)所表示。
在被动状态R时的共模电压=1/2*(VCANH+VCANL)=VCMREF; (7)
接着,请参阅公式(8)。为了维持公式(6)及(7)中的VCANH+VCANL在主动状态与被动状态下相等,以实现低电磁干扰(EME)的目的,在发送器端增设一个可用以产生VCMREF的参考电压产生电路有其必要性。其中,该VCMREF与控制器局域网络总线在主动状态时的共模信号相等。
控制器局域网络总线的共模信号=1/2*(VCANH+VCANL)=VCMREF=VCC*(RONMN1+30)/(RONMP1+RONMN1+60); (8)
如前所述,控制器局域网络总线总在线的共模电压为:
(VCM_BUS)=[VCANH+VCANL]/2;接收放大器输入端上的共模电压为:
(VCM_DIV)=[VCANHDIV+VCANLDIV]/2。在一般情况下,R1=R4,R2=R3,(VCM_DIV)=(VCM_BUS-VCT)*[R2/(R1+R2)]+VCT。配合本发明所揭露的共模电压侦测器其功能,如图标图6中所绘的电压关系:当
[VCT-VTH_SEN]<VCM_DIV<[VCT+VTH_SEN]时,VSENSE_O=VCT=VCMREF,将导出下列公式(9)。
VCM_DIV=[VCM_BUS-VCMREF]*[R2/(R1+R2)]+VCMREF; (9)
当VCM_DIV>[VCT+VTH_SEN]时,VSENSE_O=VCT=GND,将导出下列公式(10)。
VCM_DIV=[VCM_BUS-GND]*[R2/(R1+R2)]+GND; (10)
当VCM_DIV<[VCT-VTH_SEN]时,VSENSE_O=VCT=VCC,将导出下列公式(11)。
VCM_DIV=[VCM_BUS-VCC]*[R2/(R1+R2)]+VCC; (11)
在一般情况下,假设VCMREF=2.5V,R2/(R1+R2)=1/15,VTH_SEN=1V,GND=0V,VCC=5V,本发明可得到VCM_DIV与VCM_BUS(+50V~-50V)的关系图,如图8所示。从图8所揭示的电压关系图中可以显见,为了接收CAN总线具有+50V至-50V共模范围的信号,本发明所设计使用的接收放大器仅需要具有能接收(3.833V至1.167V)的输入共模电压范围的能力,而此范围仍然在传统CAN总线供应电压的额定范围(5V至0V)之间。缘此,本申请人充分证实,通过采用本发明所提出的技术方案,也就是一种具有输入共模电压侦测能力的接收器电路,仅需要使用简易与复杂度低的接收放大器电路,便可实现接收+50V至-50V的总线共模信号范围。换句话说,本发明成功地设计出一种可使用简单且成本较低的接收放大器电路,便可实现接收端接收较宽广的输入共模范围的目的,同时间,仍然维持相当低的EME位准。
更进一步而言,请参阅图9所示,其为根据本发明第一实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其具体的细部电路示意图。
其中,共模电压侦测器24包含一比较器242与一运算放大器244。
比较器242包含有第一输入端IN_P1及第二输入端IN_P2作为其两个正输入端,以及一第三输入端IN_N作为其负输入端。因此,比较器242可根据其第一输入端IN_P1的高端分压VCANHDIV、第二输入端IN_P2的低端分压VCANLDIV以及第三输入端IN_N的接点电压VCT产生一第一生成信号PL与一第二生成信号PU。
比较器242的判断机制与本申请人于图6中所公开的技术方案以及公式(9)至(11)的推导雷同。
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,则比较器242输出PL=VCC,PU=GND;以及
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,则比较器242输出PL=GND,PU=VCC;以及
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}介于{VCT-VTH_SEN}和{VCT+VTH_SEN}之间时,则比较器242输出PL=GND,PU=GND。
根据本发明的实施例,其中VTH_SEN为一储存于比较器242中的预定阈值,举例来说,VTH_SEN可以设定为1V。然而,本发明当不以此揭的实施态样为限制。本领域技术人员当可在不脱离本发明的精神前提下,根据电路设计的不同需求及规格,自行变化此预定阈值的实施态样,惟在其均等范围内,仍应隶属于本发明的发明范畴。
至于运算放大器244,运算放大器244具有一第一运算输入端IN+、一第二运算输入端IN-以及一运算输出端OUT。其中,第一运算输入端IN+电性连接前述共模电压侦测器24的侦测输入端SENSE_I以接收该参考电压源VCMREF。运算输出端OUT电性连接该共模电压侦测器24的侦测输出端SENSE_O与运算放大器244的第二运算输入端IN-。运算放大器244更电性连接于所述的比较器242以接收其第一生成信号PL与第二生成信号PU。如此一来,基于运算输出端OUT连接侦测输出端SENSE_O,运算放大器244便可据以产生一运算输出信号于其运算输出端OUT,亦作为前述的侦测输出电压VSENSE_O。
根据本发明此一实施例,运算放大器244设计具有下列功能:
当PL=GND,PU=GND时,运算放大器244形成一单增益反馈连接的反向闭路循环(inverting closed-loop with unity gain feedback connection),使得其运算输出信号等于侦测输出电压VSENSE_O,而侦测输出电压VSENSE_O为该VCMREF;以及
当PL=VCC,PU=GND时,运算输出信号等于侦测输出电压VSENSE_O=GND;以及
当PL=GND,PU=VCC时,运算输出信号等于侦测输出电压VSENSE_O=VCC。
然而,值得说明的是,本发明并不以此图9所陈的实施例为限,对于本领域技术人员而言,可在不脱离本发明的发明精神的情况下允许对本发明进行适当的修饰和改良,在其均等范围内,仍然落入本发明的发明范畴。举例而言,本发明所公开的共模电压侦测器,其功能可以根据不同接收放大器的输入共模电压接收范围而简化,并且亦可以根据不同接收放大器的输入共模电压接收范围而作一修饰及变化。
例如,请参阅本发明图10A及10B图所示,其为根据本发明第二实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其具体的细部电路示意图。其中,图10B为根据图10A的第二实施例中,其接收放大器的变化态样。在此第二实施例中,接收放大器26a电性连接于所述的高端分压VCANHDIV、低端分压VCANLDIV以及电源电压VCC之间,并且,接收放大器26a针对电阻器组合22中的第一节点N1及第二节点N2之间的差动信号进行放大,并将其转换为单端信号,作为其结果信号输出。
接收放大器26a包括多个晶体管Q1,Q2,Q3,Q4、多个电阻R11,R12,R13,R14、负载PL1,PL2、电流源IB1,IB2以及第一输出放大器Amp1。相关的技术信息与描述请参考美国专利U9,509,488。基于该接收放大器26a可在其输入端接收范围由负无限大(-∞)至(第一输出放大器Amp1的最大额定输入电压-VCEQ2,3)的输入共模电压(VCM_DIV),故,该共模电压侦测器24a当中的比较器242仅需要判断:
当VCM_DIV>[VCT+VTH_SEN]时,VSENSE_O=VCT=GND;否则VSENSE_O=VCMREF。
在此情况下,如图10A所示,第二生成信号PU可以被移除,而该共模电压侦测器24a中的比较器242仅需要输出第一生成信号PL给运算放大器244,供其产生其运算输出信号。
根据此第二实施例,其共模电压侦测器所输出的侦测输出电压VSENSE_O如图11所示,缘此,只要能够善加控制并设计(第一输出放大器Amp1的最大额定输入电压-VCEQ2,3)的电压值大于3.5V(参图8),那么相较于现有技术必需使用复杂且昂贵的双路径接收放大器的技术方案,可以显见的是,本发明仅仅只需要使用单一个接收放大器26a,便可以成功接收范围为+50V至-50V的总线共模信号。
另一方面而言,请参阅本发明图12A及12B图所示,其为根据本发明第三实施例的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其具体的细部电路示意图。其中,图12B为根据图12A的第三实施例中,其接收放大器的变化态样。在此第三实施例中,接收放大器26b电性连接于所述的高端分压VCANHDIV、低端分压VCANLDIV以及接地电压GND之间,并且,接收放大器26b针对电阻器组合22中的第一节点N1及第二节点N2之间的差动信号进行放大,并将其转换为单端信号,作为其结果信号输出。
接收放大器26b包括多个晶体管Q5,Q6,Q7,Q8、多个电阻R11,R12,R15,R16、负载NL1,NL2、电流源IB3,IB4以及一第二输出放大器Amp2。相关的技术信息与描述请参考美国专利U9,509,488。基于该接收放大器26b可在其输入端接收范围由(第二输出放大器Amp2的最小额定输入电压+VCEQ6,7)至正无限大(+∞)的输入共模电压(VCM_DIV),故,该共模电压侦测器24b当中的比较器242仅需要判断:
当VCM_DIV<[VCT-VTH_SEN]时,VSENSE_O=VCT=VCC;否则VSENSE_O=VCMREF。
在此情况下,如图12A所示,第一生成信号PL可以被移除,而该共模电压侦测器24b中的比较器242仅需要输出第二生成信号PU给运算放大器244,供其产生其运算输出信号。
根据此第三实施例,其共模电压侦测器所输出的侦测输出电压VSENSE_O如图13所示,缘此,只要能够善加控制并设计(第二输出放大器Amp2的最小额定输入电压+VCEQ6,7)的电压值小于1.5V(参图8),那么相较于现有技术必需使用复杂且昂贵的双路径接收放大器的技术方案,可以显见的是,本发明仅仅只需要使用单一个接收放大器26b,便可以成功接收范围为+50V至-50V的总线共模信号。
鉴于以上,可以确信的是与现有技术相比,通过采用本发明所揭露的技术方案及诸多实施例,其可在不另外设计特殊的接收放大器规格的前提下(例如现有技艺设计的双路径接收放大器),便可以使得控制器局域网络的接收器电路能够得以接收超越传统控制器局域网络的供应电压(0V~5V)而更为宽广的输入共模信号范围(-50V~+50V)。有鉴于此,现有技术中存在的种种缺失,包括高成本、电路复杂度高以及考虑组件崩溃等问题,都得以获得有效地解决。本发明所揭露的接收器电路,其特征乃在于具有极佳的输入共模电压侦测能力,并且可使得电路操作于主动状态与被动状态下的共模电压信号维持一致,由此,亦解决了电磁干扰的问题。缘此,本申请人请求其所揭露的技术方案的确具有极佳的产业利用性及竞争力。同时,验证本发明所揭露的技术特征、方法手段与达成的功效显著地不同于现行方案,实非为熟悉该项技术者能轻易完成者,而应具有专利要件。
以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点,其目的在于使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,当不能以的限定本发明的专利范围,即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰,仍应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (20)
1.一种具有输入共模电压侦测的接收器电路,电性连接于一控制器局域网络的该接收器电路的一输出端,并可应用于该控制器局域网络的一收发集成电路,其特征在于,该具有输入共模电压侦测的接收器电路包括:
一电阻器组合,电性连接于该控制器局域网络的一高压端与一低压端,并包含一第一电阻、一第二电阻、一第三电阻以及一第四电阻,其中,该第一电阻与该第二电阻之间具有一第一节点,该第三电阻与该第四电阻之间具有一第二节点,该第二电阻与该第三电阻之间具有一第三节点,该第一电阻电性连接于该高压端与该第一节点,该第四电阻电性连接于该低压端与该第二节点,该电阻器组合自该高压端接收一高压端电压,并自该低压端接收一低压端电压,之后,该电阻器组合降压并在该第一节点输出一高端分压VCANHDIV、在该第二节点输出一低端分压VCANLDIV以及在该第三节点输出一接点电压VCT;
一共模电压侦测器,具有一侦测输入端与一侦测输出端,该侦测输入端电性连接于一参考电压源VCMREF,该侦测输出端电性连接于该电阻器组合的该第三节点,该共模电压侦测器更包含有一第一输入端、一第二输入端以及一第三输入端,其中,该第一输入端电性连接于该第一节点并接收该高端分压VCANHDIV,该第二输入端电性连接于该第二节点并接收该低端分压VCANLDIV,该第三输入端电性连接于该第三节点并接收该接点电压VCT,使得该共模电压侦测器在该侦测输出端产生并输出一侦测输出电压VSENSE_O,其中该共模电压侦测器判断:
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,则该侦测输出电压VSENSE_O被设至一接地电压GND,其中VTH_SEN为一预定阈值;否则,该侦测输出电压为该参考电压源VCMREF;以及
一接收放大器,具有一第一接收端与一第二接收端,其中,该第一接收端电性连接于该电阻器组合的该第一节点并接收该高端分压VCANHDIV,该第二接收端电性连接于该电阻器组合的该第二节点并接收该低端分压VCANLDIV,使得该接收放大器据以产生并输出一结果信号,并将该结果信号传送至该控制器局域网络的该接收器电路的该输出端。
2.如权利要求1所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该共模电压侦测器包括:
一比较器,具有该第一输入端及该第二输入端作为该比较器的两个正输入端,以及该第三输入端作为该比较器的一负输入端,使得该比较器根据该第一输入端的该高端分压VCANHDIV、该第二输入端的该低端分压VCANLDIV以及该第三输入端的该接点电压VCT产生一第一生成信号;以及
一运算放大器,具有一第一运算输入端、一第二运算输入端以及一运算输出端,其中,该第一运算输入端电性连接该共模电压侦测器的该侦测输入端以接收该参考电压源VCMREF,该运算输出端电性连接该共模电压侦测器的该侦测输出端与该运算放大器的该第二运算输入端,该运算放大器更电性连接于该比较器以接收该第一生成信号,使得该运算放大器据以产生一运算输出信号于该运算输出端,该运算输出端电性连接该侦测输出端,以作为该侦测输出电压VSENSE_O。
3.如权利要求2所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该预定阈值VTH_SEN储存于该比较器中。
4.如权利要求2所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,当该侦测输出电压VSENSE_O为该参考电压源VCMREF时,该运算放大器为一具有反向闭路循环的放大器。
5.如权利要求1所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该接收放大器电性连接于该高端分压VCANHDIV、该低端分压VCANLDIV以及一电源电压之间,并且,该接收放大器针对该电阻器组合中的该第一节点及该第二节点之间的一差动信号进行放大,并将该差动信号转换为一单端信号,作为该结果信号输出。
6.如权利要求1所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该控制器局域网络的该收发集成电路更包括一发送器,该发送器电性连接于该高压端与该低压端,并在电路操作于一主动状态时,该发送器传送一差动信号至该高压端与该低压端,该差动信号的共模电压被提供并作为该参考电压源VCMREF。
7.一种具有输入共模电压侦测的接收器电路,电性连接于一控制器局域网络的该接收器电路的一输出端,并可应用于该控制器局域网络的一收发集成电路,其特征在于,该具有输入共模电压侦测的接收器电路包括:
一电阻器组合,电性连接于该控制器局域网络的一高压端与一低压端,并包含一第一电阻、一第二电阻、一第三电阻以及一第四电阻,其中,该第一电阻与该第二电阻之间具有一第一节点,该第三电阻与该第四电阻之间具有一第二节点,该第二电阻与该第三电阻之间具有一第三节点,该第一电阻电性连接于该高压端与该第一节点,该第四电阻电性连接于该低压端与该第二节点,该电阻器组合自该高压端接收一高压端电压,并自该低压端接收一低压端电压,之后,该电阻器组合降压并在该第一节点输出一高端分压VCANHDIV、在该第二节点输出一低端分压VCANLDIV以及在该第三节点输出一接点电压VCT;
一共模电压侦测器,具有一侦测输入端与一侦测输出端,该侦测输入端电性连接于一参考电压源VCMREF,该侦测输出端电性连接于该电阻器组合的该第三节点,该共模电压侦测器更包含有一第一输入端、一第二输入端以及一第三输入端,其中,该第一输入端电性连接于该第一节点并接收该高端分压VCANHDIV,该第二输入端电性连接于该第二节点并接收该低端分压VCANLDIV,该第三输入端电性连接于该第三节点并接收该接点电压VCT,使得该共模电压侦测器在该侦测输出端产生并输出一侦测输出电压VSENSE_O,其中该共模电压侦测器判断:
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,则该侦测输出电压被设至一电源电压VCC,其中VTH_SEN为一预定阈值;否则,该侦测输出电压为该参考电压源VCMREF;以及
一接收放大器,具有一第一接收端与一第二接收端,其中,该第一接收端电性连接于该电阻器组合的该第一节点并接收该高端分压VCANHDIV,该第二接收端电性连接于该电阻器组合的该第二节点并接收该低端分压VCANLDIV,使得该接收放大器据以产生并输出一结果信号,并将该结果信号传送至该控制器局域网络的该接收器电路的该输出端。
8.如权利要求7所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该共模电压侦测器包括:
一比较器,具有该第一输入端及该第二输入端作为该比较器的两个正输入端,以及该第三输入端作为该比较器的一负输入端,使得该比较器根据该第一输入端的该高端分压VCANHDIV、该第二输入端的该低端分压VCANLDIV以及该第三输入端的该接点电压VCT产生一第二生成信号;以及
一运算放大器,具有一第一运算输入端、一第二运算输入端以及一运算输出端,其中,该第一运算输入端电性连接该共模电压侦测器的该侦测输入端以接收该参考电压源VCMREF,该运算输出端电性连接该共模电压侦测器的该侦测输出端与该运算放大器的该第二运算输入端,该运算放大器更电性连接于该比较器以接收该第二生成信号,使得该运算放大器据以产生一运算输出信号于该运算输出端,该运算输出端电性连接该侦测输出端,以作为该侦测输出电压VSENSE_O。
9.如权利要求8所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该预定阈值VTH_SEN储存于该比较器中。
10.如权利要求8所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,当该侦测输出电压VSENSE_O为该参考电压源VCMREF时,该运算放大器为一具有反向闭路循环的放大器。
11.如权利要求7所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该接收放大器电性连接于该高端分压VCANHDIV、该低端分压VCANHDIV以及一接地电压之间,并且,该接收放大器针对该电阻器组合中的该第一节点及该第二节点之间的一差动信号进行放大,并将该差动信号转换为一单端信号,作为该结果信号输出。
12.如权利要求7所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该控制器局域网络的该收发集成电路更包括一发送器,该发送器电性连接于该高压端与该低压端,并在电路操作于一主动状态时,该发送器传送一差动信号至该高压端与该低压端,该差动信号的共模电压被提供并作为该参考电压源VCMREF。
13.一种具有输入共模电压侦测的接收器电路,电性连接于一控制器局域网络的该接收器电路的一输出端,并可应用于该控制器局域网络的一收发集成电路,其特征在于,该具有输入共模电压侦测的接收器电路包括:
一电阻器组合,电性连接于该控制器局域网络的一高压端与一低压端,并包含一第一电阻、一第二电阻、一第三电阻以及一第四电阻,其中,该第一电阻与该第二电阻之间具有一第一节点,该第三电阻与该第四电阻之间具有一第二节点,该第二电阻与该第三电阻之间具有一第三节点,该第一电阻电性连接于该高压端与该第一节点,该第四电阻电性连接于该低压端与该第二节点,该电阻器组合自该高压端接收一高压端电压,并自该低压端接收一低压端电压,之后,该电阻器组合降压并在该第一节点输出一高端分压VCANHDIV、在该第二节点输出一低端分压VCANLDIV以及在该第三节点输出一接点电压VCT;
一共模电压侦测器,具有一侦测输入端与一侦测输出端,该侦测输入端电性连接于一参考电压源VCMREF,该侦测输出端电性连接于该电阻器组合的该第三节点,该共模电压侦测器更包含有一第一输入端、一第二输入端以及一第三输入端,其中,该第一输入端电性连接于该第一节点并接收该高端分压VCANHDIV,该第二输入端电性连接于该第二节点并接收该低端分压VCANLDIV,该第三输入端电性连接于该第三节点并接收该接点电压VCT,使得该共模电压侦测器在该侦测输出端产生并输出一侦测输出电压VSENSE_O,其中该共模电压侦测器判断:
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,则该侦测输出电压被设至一接地电压GND;以及
当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,则该侦测输出电压被设至一电源电压VCC;以及
当{VCT-VTH_SEN}<{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT+VTH_SEN}时,则该侦测输出电压为该参考电压源VCMREF,其中VTH_SEN为一预定阈值;以及
一接收放大器,具有一第一接收端与一第二接收端,其中,该第一接收端电性连接于该电阻器组合的该第一节点并接收该高端分压VCANHDIV,该第二接收端电性连接于该电阻器组合的该第二节点并接收该低端分压VCANLDIV,使得该接收放大器据以产生并输出一结果信号,并将该结果信号传送至该控制器局域网络的该接收器电路的该输出端。
14.如权利要求13所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该共模电压侦测器包括:
一比较器,具有该第一输入端及该第二输入端作为该比较器的两个正输入端,以及该第三输入端作为该比较器的一负输入端,使得该比较器根据该第一输入端的该高端分压VCANHDIV、该第二输入端的该低端分压VCANLDIV以及该第三输入端的该接点电压VCT产生一第一生成信号与一第二生成信号;以及
一运算放大器,具有一第一运算输入端、一第二运算输入端以及一运算输出端,其中,该第一运算输入端电性连接该共模电压侦测器的该侦测输入端以接收该参考电压源VCMREF,该运算输出端电性连接该共模电压侦测器的该侦测输出端与该运算放大器的该第二运算输入端,该运算放大器更电性连接于该比较器以接收该第一生成信号与该第二生成信号,使得该运算放大器据以产生一运算输出信号于该运算输出端,该运算输出端电性连接该侦测输出端,以作为该侦测输出电压VSENSE_O。
15.如权利要求14所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该预定阈值VTH_SEN储存于该比较器中。
16.如权利要求14所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,当{VCT-VTH_SEN}<{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT+VTH_SEN}时,该第一生成信号与该第二生成信号皆为该接地电压GND。
17.如权利要求16所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该运算放大器为一具有反向闭路循环的放大器,以产生该侦测输出电压VSENSE_O为该参考电压源VCMREF。
18.如权利要求14所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}>{VCT+VTH_SEN}时,该第一生成信号为该电源电压VCC,该第二生成信号为该接地电压GND。
19.如权利要求14所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,当{1/2*[VCANHDIV+VCANLDIV]}<{VCT-VTH_SEN}时,该第二生成信号为该电源电压VCC,该第一生成信号为该接地电压GND。
20.如权利要求13所述的具有输入共模电压侦测的接收器电路,其特征在于,该控制器局域网络的该收发集成电路更包括一发送器,该发送器电性连接于该高压端与该低压端,并在电路操作于一主动状态时,该发送器传送一差动信号至该高压端与该低压端,该差动信号的共模电压被提供并作为该参考电压源VCMREF。
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