CN112769412B - 一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路。包括信号输入端Vs、信号输出端Vo及输入输出信号公共端GND，其特征在于还包括电阻Rq1、电阻Rq2、电阻Ra、电阻Rb、电阻Rd、电阻Ri、电阻Ro、电容Ca、电容Cb、运放U1A和运放U1B，电阻Rq1、电阻Ri及电容Ca的一端连接于节点p1；作为输入端连接到输入信号Vi；电阻Rq1的另一端、电容Ca的另一端、电阻Rq2及电阻Ra的一端、运放U1A的同相输入端连接于节点p2；电阻Rq2的另一端连接到输入输出信号公共端GND。本发明的电路对称性好、性能稳定、设计及使用简单、相比于3、4运放状态变量椭圆函数滤波器节省了1至2个运放，降低了功耗、有利于缩小电路体积、降低滤波器及电路成本。

Description

一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路

技术领域

本发明涉及模拟微电子技术领域，具体为一种利用两个运放构成椭圆函数、反切比雪夫有源滤波器的电路。

背景技术

有源滤波器是电子电路信号调理技术中的重要构成部分，广泛应用于通信技术、仪器仪表、工业测控、军事电子等电子电路中用以消除信号和电子设备的带外噪声。有源滤波器的传递函数形式主要有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、反切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器，其频率特性可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。其电路构成按照使用运放数目分为单运放电路、双运放电路、三运放电路、四运放电路。

专业滤波器设计文献介绍的椭圆函数滤波器有：三运状态变量椭圆函数滤波器、三运放电压跟随(VCVS)椭圆函数滤波器、三运放三电容椭圆函数滤波器，特别是当频率响应曲线很陡峭时甚至还需要使用四个运放来实现一个2阶状态变量椭圆函数滤波节，即四运放电路，3-4运放电路的2阶滤波节可实现高达200的Q值，具有优异的稳定性，能满足各种椭圆函数滤波器的实现；此外也有用T型网络和一个运放构成的单运放构成的VCVS椭圆函数滤波器，单运放电路一般限于Q值不高的情况，单运放电路虽然所用运放数量最少、但其电路的稳定性、元件的灵敏度、元件值的离散度、电路对称度等指标都不高，所以一般限于稳定性要求不高且2阶滤波节的Q值不超过10的场合。

此外，状态变量椭圆函数滤波器当改变增益时频率特性曲线的形状会随之改变，如果想利用滤波器进行程控增益放大就很不方便。

显然，包含三个及以上运放的椭圆函数滤波器其性能比较好，但其功耗较大，电路体积也较大，成本较高；而单运放的椭圆函数滤波器其电路的对称性以及稳定性等指标又不太好；因此缺少一种电路构成运放数量较少、同时具有稳定性好、元件值离散度小、电路对称度高、且能够实现独立增益编程的椭圆函数低通滤波器。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，该电路可实现Q值高达100的二阶椭圆函数滤波节，其对称性好、性能稳定、相比于3运放、4运放状态变量椭圆函数滤波器节省了一到二个运放，降低了功耗、有利于缩小电路体积、降低滤波器成本；并且本发明电路还是一个天然的增益放大器且此增益可独立控制而不影响电路的滤波特性，这就使得本发明电路特别适用于构成小信号滤波-放大器和程增益控滤波器，可使电路进一步简化，电路成本进一步降低。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，包括信号输入端Vs、信号输出端Vo及输入输出信号公共端GND，其特征在于，还包括电阻Rq1、电阻Rq2、电阻Ra、电阻Rb、电阻Rd、电阻Ri、电阻Ro、电容Ca、电容Cb、运放U1A和运放U1B，电阻Rq1、电阻Ri及电容Ca的一端连接于节点p1；作为输入端连接到输入信号Vi；电阻Rq1的另一端、电容Ca的另一端、电阻Rq2及电阻Ra的一端、运放U1A的同相输入端连接于节点p2；电阻Rq2的另一端连接到输入输出信号公共端GND；电阻Ra的另一端、电容Cb的一端、运放U1B的输出端连接于节点p3；电容Cb的另一端、电阻Rb的一端、电阻Rd的一端、运放U1A的反相输入端和U1B的反相输入端连接于节点p4；电阻Rd的另一端连接到输入输出信号公共端GND；电阻Ri的另一端、电阻Ro的一端、U1B的同相输入端连接于节点p5；电阻Ro的另一端、电阻Rb的另一端、运放U1A的输出端连接于p6节点作为信号Vo的输出端。

优选地，所述电容Ca、电容Cb取值相同；

优选地，所述电阻Ra、电阻Rb取值相同；

优选地，所述电阻Ri、电阻Ro取值相同任意值；

优选地，所述电阻Rq1、电阻Rq2取值相同；

优选地，所述运放U1A、运放U1B封装在同一芯片中；

优选地，所述信号输入端Vs接输入分压衰减器，所述输入分压衰减器由Rs1、Rs2构成，输入信号Vs经过Rs1、Rs2分压后得到Vi连接到p1节点；

优选地，所述输入分压衰减器的输出之后插入一个运放，并跟随输出到输入节点p1；此增益衰减并不影响二阶滤波节的频率特性。由于电路总增益是衰减器增益与电路自然增益之综合，因此改变输入衰减就能够方便改变电路增益；

优选地，还包括在第一个二阶滤波节上使用输入分压衰减器。

本发明的有益效果在于：对称性好、性能稳定、设计及使用简单、相比于3、4运放状态变量椭圆函数滤波器节省了1至2个运放，降低了功耗、有利于缩小电路体积、降低滤波器成本。本发明电路的另一有益效果是它具有天然的增益放大特性且增益可独立控制而不影响滤波特性，从而能够方便构成滤波-放大器和程增益控滤波器，可使电路进一步简化，电路成本进一步降低；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器二阶滤波节的电路图；

图2为本发明提供的电阻分压的非隔离输入分压衰减器的电路图；

图3为本发明提供的运放跟随输出的隔离型输入分压衰减器的电路图；

图4为本发明提供的奇数阶滤波器的的RC一阶低通滤波节的电路图；

图5为本发明提供的具有输入信号衰减功能的运放隔离型一阶RC低通滤波节，作为奇数阶滤波器的一阶滤波节的电路图；

图6为本发明提供的偶数阶椭圆函数低通滤波-放大器电路框图；

图7为本发明提供的奇数阶椭圆函数低通滤波-放大器电路框图；

图8为带非隔离输入衰减器的偶数阶滤波器电路框图；

图9为带运放隔离输入衰减器的偶数阶滤波器电路框图；

图10为带运放隔离输入衰减器的奇数阶滤波电路框图；

图11为本专利实施实例2的频率特性变化图；

图12为本专利实施实例5的频率特性变化图。

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，包括信号输入端Vs、信号输出端Vo及输入输出信号公共端GND，其特征在于，还包括电阻Rq1、电阻Rq2、电阻Ra、电阻Rb、电阻Rd、电阻Ri、电阻Ro、电容Ca、电容Cb、运放U1A和运放U1B，电阻Rq1、电阻Ri及电容Ca的一端连接于节点p1；作为输入端连接到输入信号Vi；电阻Rq1的另一端、电容Ca的另一端、电阻Rq2及电阻Ra的一端、运放U1A的同相输入端连接于节点p2；电阻Rq2的另一端连接到输入输出信号公共端GND；电阻Ra的另一端、电容Cb的一端、运放U1B的输出端连接于节点p3；电容Cb的另一端、电阻Rb的一端、电阻Rd的一端、运放U1A的反相输入端和U1B的反相输入端连接于节点p4；电阻Rd的另一端连接到输入输出信号公共端GND；电阻Ri的另一端、电阻Ro的一端、U1B的同相输入端连接于节点p5；电阻Ro的另一端、电阻Rb的另一端、运放U1A的输出端连接于p6节点作为信号Vo的输出端。

进一步，所述电容Ca、电容Cb取值相同；电容Ca、电容Cb都影响截至频率，Ca还影响二阶滤波节的Q值；

进一步，所述电阻Ra、电阻Rb取值相同；电阻Ra、电阻Rb的乘积影响截至频率，电阻Rb还影响滤波器传递函数的零点和极点频率；当Cb与Ra的乘积不变时，改变其值不影响频率特性；

进一步，电阻Ri、电阻Ro为取值相同的值；

进一步，电阻Rq1、电阻Rq2取值相同；电阻Rq1、Rq2的并联等效值影响电路的Q值，Rq1、Rq2取相等的值可使零点衰减最大；在等效电阻不变的前提下，Rq1与Rq2的差异增大时会导致零点的衰减减小，但小差异对过度带及阻带特性影响不大；

进一步，所述运放U1A、运放U1B封装在同一芯片中；具有较高的一致性和对称性，有利于扩展运放的带宽并有可能改善其他性能如抵消噪声和漂移；

进一步，所述信号输入端Vs接输入分压衰减器，所述输入分压衰减器由Rs1、Rs2构成，输入信号Vs经过Rs1、Rs2分压后得到Vi连接到p1节点；以抵消本电路的增益，使得总增益可任意设置在(无衰减的)自然增益之下的预定值，当衰减值正好等于各自然总增益之乘积时，总增益为1，就构成单位增益滤波器，滤波器的增益通常默认为1；

进一步，所述输入分压衰减器的输出之后插入一个运放，并跟随输出到输入节点p1；能够消除输入衰减电阻对电路参数的影响，使设计和应用更简单；

进一步，还包括在第一个二阶滤波节的输入设置输入分压衰减器；其后的滤波节均可省略输入衰减器，此时电路得到进一步简化。如果一个衰减太大，可将滤波器分为两个部分，每部分分配一半的二阶滤波节，每部分的输入设置一个输入衰减，其衰减量等于其后各二阶滤波节的自然增益之乘积。

如图1所示，该图为一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器二阶滤波节的电路图，这是一个增益大于1的具有放大作用的二阶滤波节，如果要求总增益为1，需要在输入端添加衰减电路；

如图2所示，该图为电阻分压的非隔离输入分压衰减器，它可以用在每个二阶滤波阶的输入端，也可以集中起来只用一个输入衰减器，通常放在第一个二阶滤波节输入端前面；

如图3所示，该图为运放跟随输出的隔离型输入分压衰减器，它可以用在每个二阶滤波阶的输入端，也可以集中起来只用一个输入衰减器，通常放在第一个二阶滤波节输入端前面；

如图4所示，该图为奇数阶滤波器的的RC一阶低通滤波节，当该滤波节作为奇数阶滤波器的一阶滤波节时只能用一次；

如图5所示，该图为具有输入信号衰减功能的运放隔离型一阶RC低通滤波节，作为奇数阶滤波器的一阶滤波节，当该滤波节作为奇数阶滤波器的一阶滤波节时只能用一次。

滤波-放大器：

本电路的每个2阶滤波节的增益具有恒大于1的特性，这就使得只要去掉输入衰减器，就可以在滤波的同时放大信号。这种天然的放大特性使得本专利电路特别适合构成椭圆函数滤波-放大器，从而可直接对小信号进行滤波与信号放大，相比于将小信号放大后再进行大信号滤波的情况，不但具有噪声低的特点，还可部分或全部省略滤波器之外的增益放大器，节约电路体积和成本；由纯粹的双运放二阶椭圆函数低通滤波节(图1)串联构成偶数阶滤波-放大器，如图6所示；由图1和图4所示的一阶滤波节构成奇数阶椭圆函数低通滤波-放大器，如图7所示。

单位增益滤波器：

传统电路中滤波器一般是在大信号下使用，其增益为1，为了满足这个要求，本专利电路通过配置输入衰减器而实现。图1中没有包含输入衰减器，而是将输入衰减器独立出来，这样可以将若干个二阶滤波节的输入衰减整合成一个，图2、图3、图5给出三种形式输入衰减器以便于根据需要选择。图2是非隔离衰减器，图3是运放隔离衰减器，图2、图3可以插在任何一个二阶滤波节的输入端，图5是带一阶滤波节的隔离衰减器，作为奇数阶滤波器的一阶滤波节，一般放在最前面。

当图1的输入端引入电阻衰减器后，应考虑衰减器等效电阻对滤波器频率特性的影响，衰减器只对其后的第一个二阶滤波节的频率特性有影响，所以只需要考虑对其后第一个滤波节的影响就可以了，使用图3、图5所示的运放隔离型衰减器，由于运放的跟随输出使得衰减器的输出等效电阻为零，其影响被完全消除，滤波器设计大为简化；使用图2这种非隔离衰减器就比较麻烦，需求解出包喊衰减器输出电阻的传递函数，将衰减器等效电阻值考虑在内。

图8，由图2、图1串联构成具有非隔离输入衰减的偶数阶椭圆函数低通滤波器，该方案成本最低，但设计复杂了一些。

图9，由图1、图3串联构成运放隔离型偶数阶椭圆函数低通滤波器，该方案由于消除了衰减电阻的影响，设计、调试都很方便，但以使用一个运放为代价。

图10，由图1、图5串联构成，综合了图9的输入衰减隔离特性和图7的一阶滤波节特性，构成具有任意衰减的奇数阶滤波器。

图8、图9、图10，只要使输入衰减等于滤波器自然增益，就成为增益为1的单位增益滤波器。

频率特性：

偶数阶滤波器的频率特性在阻带上的高频段会出现一个山状突峰；奇数阶滤波器的频率特性的阻带上没有突峰，并且奇数阶滤波器甚至仅仅只需要增加一个电容，就可以增加一个滤波阶，因此奇数阶电路性价比高于偶数阶电路。如果希望继续保持偶数阶同时还要消除频率特性曲线高频段突峰，可在输出端加一个一阶RC低通滤波器，使其截至频率为10倍以上的滤波器截至频率，此RC滤波器也可以加在输入端，但需要用运放跟随输出以使RC滤波器的输出阻抗为0。

噪声：

如图4、图5所示的运放隔离一阶RC滤波节一般放在最前面，但如果输入信号比较小，且滤波节内信号幅度不超过滤波器的动态范围，此一阶滤波节就可以放在任何地方，当放在最后时滤波器的噪声最小。

在图6、图7、图8、图9、图10中，所有二阶滤波节的内部结构均如图1所示。二阶滤波节顺序按Q值由大到小排列，滤波器的噪声小而动态范围也小，反之噪声大而动态范围也大。

反切比雪夫滤波器：

反切比雪夫滤波器的通带与巴特沃斯滤波器的通带相似，是平坦的，没有波动，它与通带波动为0.1dB的椭圆函数滤波器的频率特性曲线的形状很相似，只是通带上有波动和过度带宽更小，本专利中的实施例很容易推广到反切比雪夫滤波器中。

实施例2：

本实施例为1KHz椭圆函数低通滤波器的详细电路参数实例：

一个5阶椭圆函数低通滤波-放大器，其截至频率fc：1KHz；通带波动：0.1dB；阻带衰减：60dB；过度带宽：1.044fc；增益：最大化；

显然，可以用图7方案实现，各滤波节元件参数如下：

第一滤波节：运放隔离1阶RC低通滤波节，电路图：图4；

Rs1＝27K；C1＝10nF

第二滤波节：双运放二阶椭圆函数低通滤波节，电路图：图1；

Ri＝Ro＝4.99K；Ca＝Cb＝10nF；

Ra＝Rb＝6.42K；Rd＝7.96k；Rq1＝Rq2＝113K；

第三滤波节：双运放二阶椭圆函数低通滤波节，电路图：图1；

Ri＝Ro＝4.99K；Ca＝Cb＝10nF；

Ra＝Rb＝9.81K取9.76K；Rd＝13.3K；Rq1＝Rq2＝37K；

运放：增益带宽1MHz以上；

该实施的频率特性仿真如图11所示，其增益实测为35.6dB,其他指标满足设计要求，如果要用巴特沃斯低通滤波器实现1倍截至频率的过度带宽和60dB的衰减，需要用10阶电路实现。

实施例3：

本实施例为1KHz椭圆函数低通滤波器的详细电路参数实例：

实现一个单位增益、1KHz截至频率、通带波动0.1dB、60dB阻带衰减、过度带宽等于1.044倍截至频率的5阶椭圆函数低通滤波器，

采用图9方案，二阶滤波节电路元件值同实施例2，一阶滤波节采用图5电路，使一阶滤波节的衰减等于所有二阶滤波节的总增益，就得到单位增益滤波器，其电路元件值为：C1＝10nF；Rs1＝1665K；Rs2＝27.5K；

将图11的曲线向下平移到增益为0dB，即向下平移35.6dB就得到本实施例的频率特性。

实施例4：

本实施例为1KHz椭圆函数低通滤波器的详细电路参数实例：

实现一个1KHz截至频率、通带波动0.1dB、60dB阻带衰减、过度带宽为2.26倍截至频率、最大增益的4阶椭圆函数低通滤波-放大器。

采用图6方案，两个图1所示的二阶滤波节构成四阶低通滤波器，其元件参数为：

第一个二阶滤波节：

Ri＝Ro＝4.99K；Ca＝Cb＝10nF；

Ra＝Rb＝2.67K；Rd＝2.77k；Rq1＝Rq2＝64.9K；

第二个二阶滤波节：

Ri＝Ro＝4.99K；Ca＝Cb＝10nF；

Ra＝Rb＝6.26K；Rd＝6.95K；Rq1＝Rq2＝24.9K；

该电路增益高达59.9dB,接近1000倍,如用巴特沃斯滤波器实现需要8阶。

实施例5：

本实施例为1KHz椭圆函数低通滤波器的详细电路参数实例：

实现一个1KHz截至频率、通带波动0.1dB、60dB阻带衰减、过度带宽为2.26倍截至频率、单位增益的4阶椭圆函数低通滤波器。

采用图9的电路方案，两个二阶滤波节电路参数与实施例4相同，衰减器采用图3，即在输入端插入运放隔离的1000倍衰减器，其参数为：Rs1/Rs2＝1000-1。

本实施例的频率特性曲线如图12所示，将该曲线向上平移60dB就得到实施例4的频率特性。

实施例6：

将实施例5改为增益从0dB到60dB可变的程控增益的4阶椭圆函数低通滤波器。

在实施例5中，输入衰减Z＝Rs2/(Rs1+Rs2),控制Rs2即可实现非线性衰减，当采用数字电位器构成分压器时可实现线性衰减，滤波器的其他元件值保持不变。实现5阶程控增益滤波器时，不宜用方案10，可以用图3、图4、图1串联构成，控制图3中的衰减实现程控增益。

实施例7：

在实施例2、3、4、5、6中，将1KHz截至频率改为任意截至频率，通带波动、阻带衰减、过度带宽、增益均保持不变；

若实施例中有输入衰减时，输入衰减必须通过运放隔离；

设所实现的截至频率为x KHz,可如下操作：

1)所有二阶滤波节的Ca、Cb除以x，或所有二阶滤波节的Ra、Rb、Rd、Rq1、Rq2除以x；

2)一阶滤波节电容C1除以x,或一阶滤波节(见图4、图5)所有电阻除以x；

3)若输入衰减网络没有隔离(见图2)，则其Rs1、Rs2均应除以x；若输入衰减网络已隔离(图3)，则衰减电阻值可保持不变；

由以上实施例可见，5阶电路比4阶的过度带宽小1倍还要多，但四阶电路的自然增益更大，适合高增益滤波-放大器。

本发明的显著特征之一是：电阻Rd为本发明的关键元件，使得本电路能够成为椭圆函数、反切比雪夫低通滤波器，如果去掉该电阻本电路就退化为双运放陷波器；

本发明的显著特征之二是：仅用两个运放运放就构成了椭圆函数低通滤波器，较三运放或四运放电路通常每个二阶滤波节能够节约1-2个运放，具有显著的成本优势，较单运放电路具有性能稳定、参数离散度和灵敏度低的优点、同时实现滤波与放大作用；

本发明的显著特征之三是：本电路是一个天然的滤波-放大器，即能够在逐级滤波的同时放大信号，这种放大特性是天然的，无法消除，如果要消除放大作用只能通过衰减器抵消除。常规电路是通过放大器将信号放大后再进行滤波，滤波器的增益为1，本发明电路就不必采用这种方式，而是可直接对小信号进行滤波并同时增益放大，这不但有利于噪声的降低，而且可能省去专门的增益放大电路，从而额外的节约一部分电路成本和PCB板材料成本，从而使得本专利电路的性价比进一步提升；

本发明的显著特征之四是：可以通过运放隔离的衰减器改变输入衰减从而抵消本发明的天然增益以改变电路的总增益且不影响电路的滤波特性，由此可以方便实现小信号滤波-放大器和程控增益滤波器，这种特性在状态变量滤波器中是不具备的；

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，包括信号输入端Vs、信号输出端Vo及输入输出信号公共端GND，其特征在于，还包括电阻Rq1、电阻Rq2、电阻Ra、电阻Rb、电阻Rd、电阻Ri、电阻Ro、电容Ca、电容Cb、运放U1A和运放U1B，电阻Rq1、电阻Ri及电容Ca的一端连接于节点p1；作为输入端连接到输入信号Vi；电阻Rq1的另一端、电容Ca的另一端、电阻Rq2及电阻Ra的一端、运放U1A的同相输入端连接于节点p2；电阻Rq2的另一端连接到输入输出信号公共端GND；电阻Ra的另一端、电容Cb的一端、运放U1B的输出端连接于节点p3；电容Cb的另一端、电阻Rb的一端、电阻Rd的一端、运放U1A的反相输入端和U1B的反相输入端连接于节点p4；电阻Rd的另一端连接到输入输出信号公共端GND；电阻Ri的另一端、电阻Ro的一端、U1B的同相输入端连接于节点p5；电阻Ro的另一端、电阻Rb的另一端、运放U1A的输出端连接于p6节点作为信号Vo的输出端；

所述信号输入端Vs接输入分压衰减器，所述输入分压衰减器由Rs1、Rs2构成，输入信号Vs经过Rs1、Rs2分压后得到Vi连接到p1节点；

所述输入分压衰减器的输出之后插入一个运放，并跟随输出到输入节点p1。

2.根据权利要求1所述的一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，其特征在于，所述电容Ca、电容Cb取值相同。

3.根据权利要求1所述的一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，其特征在于，所述电阻Ra、电阻Rb取值相同。

4.根据权利要求1所述的一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，其特征在于，所述电阻Ri、电阻Ro取值相同。

5.根据权利要求1所述的一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，其特征在于，所述电阻Rq1、电阻Rq2取值相同。

6.根据权利要求1所述的一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，其特征在于，所述运放U1A、运放U1B封装在同一芯片中。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种双运放椭圆函数、反切比雪夫有源低通滤波器电路，其特征在于，还包括在第一个二阶滤波节上使用输入分压衰减器。

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