CN1794356B - 电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

一种电荷泵电路，包括一电荷泵级，其包含耦合至预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的子电荷泵电路，其用以降压上述预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极，以增加预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的预充电效率。而预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的预充电效率越高，则通道晶体管的栅极电压越低。所以，充电分配效率越好，体效应所造成的影响便可以消除。后续的电荷泵级亦与上述电荷泵级相同。此外，本发明实施例仅实施于P型金属氧化物半导体场效应上，因此，只需单一阱以及小布局即可。如此便可获得本发明的高效率负电荷泵电路。

Description

电荷泵电路

技术领域

本发明有关于一种集成电路，特别是有关于一种用于集成电路中的电荷泵电路(charge pump circuit)。

背景技术

在某些集成电路中，有时会需要提供极高的负电压。这种情形特别是在于包含存储器组件的集成电路中，例如，电擦除可编程只读存储器(EEPROM)。当进行擦除操作时，此高负电压施于存储器单元的控制栅极，以擦除储存在存储器单元中的数据。

很不幸地，许多传统的电路均遭遇严重的体效应(body-effect)问题，使得当基底(bulk)和源极(source)间电压差不为零时，晶体管的启始电压会改变。举例来说，体效应会在经一或多个电荷泵级(pump stage)后，导致电容连接金属氧化物半导体场效应晶体管(capacitor-connected MOSFET)有效启始电压的增加。且因为时钟信号(clock signal)具有较小的幅值，体效应会导致晶体管传导性的降低。当晶体管的传导性降低时，受影响的电荷泵级会变得阻抗更高，于是限制了电流大小，甚至反过来影响电荷泵的效率。

公知引用了多种技术，欲降低上述的体效应问题，例如预充金属氧化物半导体场效应晶体管(pre-charge MOSFET)便是其中一种，其方法为在栅极提供不足的负电压，以及提供相对低的预充电效率。

发明内容

有鉴于此，本发明为解决以上公知的问题，提供一种用于集成电路中的电荷泵电路，集成电路例如是闪速/电擦除可编程只读存储器(FLASH/EEPROM)存储器电路。举例来说，上述电荷泵电路可以是P型金属氧化物半导体(PMOS)负电荷泵电路，用以产生负电压，在本发明实施例中，提供一减少体效应影响的电路，其通常会出现在PMOS负电荷泵电路中，通过使用子电荷泵电路(sub-pump)以增加预充电效率。特别一提，预充金属氧化物半导体场效应晶体管(pre-charge MOSFET)的栅极会降压(pump down)至相对负的电压程度，使得电荷泵效率因此得以增加。

本发明一实施例提供一电荷泵电路，包括：第一电荷泵级以及第二电荷泵级，其中，第一电荷泵级包含耦合至第一预充电MOSFET晶体管(pre-chargeMOSFET)的第一子电荷泵电路，其用以降压第一预充电MOSFET晶体管的栅极，以增加第一预充电MOSFET晶体管的预充电效率。第二电荷泵级包含耦合至第二预充电MOSFET晶体管的第二子电荷泵电路，其用以降压第二预充电MOSFET晶体管的栅极，以增加第二预充电MOSFET晶体管的预充电效率。

本发明另一实施例提供一种电荷泵电路，包括：预充电晶体管，其具有源极、栅极与漏极；放电晶体管(discharge transistor)，其耦合至预充电晶体管的栅极，其中放电晶体管选择性地将预充电晶体管放电；通道晶体管(pass transistor)，其耦合至预充电晶体管的源极；以及初始化晶体管(initialization transistor)，耦合至通道晶体管，其中初始化晶体管可将通道晶体管的漏极进行初始化。

本发明再一实施例提供一种存储器组件，包括：非易失性存储器单元(non-volatile memory cells)；以及电荷泵电路，其耦合至非易失性存储器单元，以擦除上述非易失性存储器单元。而上述电荷泵电路包括：预充电晶体管，其具有源极、栅极与漏极；放电晶体管，其耦合至预充电晶体管的栅极，且上述放电晶体管选择性地对预充电晶体管放电；通道晶体管，其耦合至预充电晶体管的源极；以及初始化晶体管，其耦合至通道晶体管，且上述初始化晶体管可将通道晶体管的漏极进行初始化。

在其中任一实施例中，电路可以利用在单一N型阱(N-well)中的小布局，而其它实施例，当然也可以利用在多重阱中的布局。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，详细说明如下：

图1A至1B表示本发明实施例的电荷泵电路和定时器计时的示意图。

图2至3表示本发明实施例的电荷泵定时器和节点电压(node voltage)对时间的函数示意图。

主要组件符号说明100：P型沟道电荷泵电路

102，104：子电荷泵电路(sub-pump)

DP1、DP2、DP3和DP4：时钟信号(clock signal)

M1，M2，M3：通道晶体管(pass transistor)

M4，M8，M11：预充电晶体管(pre-charge transistor)

M5，M9：初始化晶体管(initialization transistor)

M6，M10，M13，M14：晶体管(二极管)

M7，M12：放电晶体管(discharge transistor)

initial stage：初始级

stage 1：级1

stage 2：级2

具体实施方式

本发明的实施例配合附图，详细说明如下。本发明有关于一种用于集成电路中的电荷泵电路，集成电路例如是闪速/电擦除可编程只读存储器(FLASH/EEPROM)存储器电路。举例来说，上述电荷泵电路可以是PMOS负电荷泵电路，用以产生相对高的负电压，将此高负电压施于存储器单元的控制栅极，可擦除存储器单元的数据。在本发明实施例中，减少体效应影响的电路，通常会出现在PMOS负电荷泵电路中，通过使用子电荷泵电路(sub-pump)以增加预充电效率。特别地，预充金属氧化物半导体场效应晶体管(pre-chargeMOSFET)的栅极会降压至相对负的电压程度，使得电荷泵效率因此得以增加。

图1A表示本发明较佳实施例的P型沟道电荷泵电路100的示意图。在此例中，图示的晶体管为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)。此处电荷泵电路100包括三个级，其它实施例当然可以包括更少或更多的级，例如五个、七个、九个或甚至更多的级。在此例中，电荷泵电路100包括初始级(initialstage)、级1与级2等三个级。更详细的说明如下，级1包括子电荷泵电路102以及预充金属氧化物半导体场效应晶体管M8、级2包括子电荷泵电路104以及预充金属氧化物半导体场效应晶体管M11，而子电荷泵电路用以降压预充金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极电压，以增加预充电效率。

输入P信道电荷泵电路100的信号包括由四相位定时器提供的时钟信号(clock signal)DP1、DP2、DP3和DP4。在此实施例中，时钟信号DP1、DP2、DP3和DP4周期性地在接地与供电电压之间交替，供电电压例如为1.8伏特、3.3伏特或其它伏特。

请参照图1A，晶体管M1(在初始级)、晶体管M2(在级1)以及晶体管M3(在级2)为通道晶体管(pass transistor)。晶体管M4(在初始级)、晶体管M8(在级1)以及晶体管M11(在级2)为预充电晶体管(pre-charge transistor)。晶体管M6和M10扮演二极管的角色，并用以保持对应节点N3(包括晶体管M8的栅极)和节点N6(包括晶体管M11的栅极)位于负电压的程度。

晶体管M5(在级1)以及晶体管M9(在级2)为初始化晶体管(initialization transistor)，它们的栅极和源极耦合在一起。初始化晶体管M5和M9在大于接地的晶体管初始电压下，可对应地初始化节点N2和N5。晶体管M7(在级1)以及晶体管M12(在级2)为放电晶体管(dischargetransistor)。

特别一提，此例中时钟信号DP4为一电容耦合，其通过电容C1耦合至通道晶体管M1的栅极以及预充电晶体管M4的漏极。通道晶体管M1的源极以及预充电晶体管M4的源极均耦合至接地。

节点N2连接至通道晶体管M1的漏极、通道晶体管M2的源极、预充电晶体管M4的栅极、初始化晶体管M5的漏极、晶体管M6的源极和栅极、以及通过电容C2连接至时钟信号DP1。

节点N3连接至预充电晶体管M8的栅极、晶体管M6的漏极、放电晶体管M7的漏极、以及通过电容C3连接至时钟信号DP3。放电晶体管M7的栅极为一电容，其通过电容C4耦合至致能信号(enable signal)EN，以及通过晶体管M13耦合至接地，其中晶体管M13扮演二极管的角色。

节点N4连接至通道晶体管M2的栅极、预充电晶体管M8的漏极、以及扮演一电容，通过电容C5耦合至时钟信号DP2。

节点N5连接至通道晶体管M2的漏极、通道晶体管M3的源极、初始化晶体管M9的漏极、晶体管M10的源极和栅极、以及通过电容C6连接至时钟信号DP3。

节点N6连接至预充电晶体管M11的栅极、晶体管M10的漏极、放电晶体管M12的漏极、以及通过电容C7连接至时钟信号DP1。

放电晶体管M12的栅极系一电容，通过电容C8耦合至致能信号EN，以及通过晶体管M14耦合至接地，其中晶体管M14扮演二极管的角色。

节点N7连接至通道晶体管M3的栅极、预充电晶体管M11的漏极、以及扮演一电容，通过电容C9耦合至时钟信号DP4。

通道晶体管M3的漏极连接至负电荷泵输出信号VNCP，举例而言，对两级的负电荷泵电路而言，VNCP可以是-2伏特，当然也可以是其它的电压。

请参照图1A与1B，并同时参照图2与3，其表示本发明实施例的电荷泵定时器和节点电压，相对于时间、电荷泵电路100和计时信号(timing signal)的函数示意图。上述计时信号包含时钟信号DP1、DP2、DP3和DP4等，更详细的电路操作叙述如下。举例而言，电荷泵电路100的计时可以分成八个时区T1-T8。

当致能信号EN变低时，放电晶体管M7和M12会将对应的预充电晶体管M8和M11放电至接地。

然后，在时区T1：

假设时钟信号DP3的状态延续之前的状态是“低”，在节点N5的电压为负电压的程度。当时钟信号DP1在时区T1由“高”的状态转换为“低”的状态时，节点N2和N6的电压会逐渐被拉下或降压至负的电压程度。

节点N4逐渐放电至节点N3加上预充电晶体管M8启始电压的电压值大小，亦即VN4＝VN3+VT(M8)。然后预充电晶体管M8会关断。

因节点N2和N6的电压为负，预充电晶体管M4和M11会导通。然后通道晶体管M1会关断。

在时区T2：

时钟信号DP3由“低”的状态转换为“高”的状态，以及节点N3和N5的电压对应地升高。节点N3的电压逐渐放电至节点N2加上晶体管M6启始电压的电压值大小，亦即VN3＝VN2+VT(M6)。因此，操作有如次负电荷泵电路。

此时，预充电晶体管M8会关断，节点N4的电压则维持在之前的程度，亦即VN4＝VN3+VT(M8)。

因此，预充电晶体管M11会导通，节点N7的电压与节点N5的电压相同。而通道晶体管M3会关断。

相同地，预充电晶体管M4会导通，通道晶体管M1会关断。

在时区T3：

时钟信号DP2由“高”状态转换为“低”状态。

此时，节点N4的电压会逐渐被拉下或降压至更负的电压程度。

由于节点N4电压更负的缘故，通道晶体管M2会完全导通，使得电荷流(charge flow)由节点N5流到节点N2。

在时区T3时，通道晶体管M1和M3保持关断。

在电荷分布后，节点N5的电压与节点N2的电压相同，而体效应所造成的影响会很小甚至可被忽略。而Vt和Vsb的值可通过下式估算：

Vt＝Vt0+r(√(2φf+Vsb)-√2φf)，其中r≈0.6，2φf＝0.65。

因此，对应Vsb＝0与Vsb＝6V的Vt，其ΔVt≈1V。

在时区T4：

时钟信号DP2由“低”状态转换为“高”状态。

此时，节点N4的电压被拉高至时区T2的程度，亦即VN4＝VN3+VT(M8)。通道晶体管M2关断，通道晶体管M1和M3保持关断。

在时区T5：

时钟信号DP3由“高”状态转换为“低”状态。节点N5和节点N3的电压会被拉至最低的电压程度。

此时，预充电晶体管M8导通，节点N4的电压与节点N2的电压相同。然后通道晶体管M2关断。节点N6的电压被拉下至节点N5加上晶体管M10启始电压的电压值大小，亦即VN6＝VN5+VT(M10)。节点N7的电压被拉下至节点N6加上预充电晶体管M11启始电压的电压值大小，亦即VN7＝VN6+VT(M11)。

在时区T6：

时钟信号DP1由“低”状态转换为“高”状态。节点N2与节点N6的电压会升高。此外，节点N6的电压放电至节点N5加上晶体管M10启始电压的电压值大小，亦即VN6＝VN5+VT(M10)。因此，电路操作有如子负电荷泵电路。

此时，预充电晶体管M4会关断，以及节点N1接地。预充电晶体管M11关断，节点N7的电压保持在时区T5的程度，亦即VN7＝VN6+VT(M11)。预充电晶体管M8导通，因此通道晶体管M2关断。

在时区T7：

时钟信号DP4由“高”状态转换为“低”状态。

此时，节点N1和N7的电压会被拉下至更负的电压程度，以及通道晶体管M1和M3完全导通。因为节点N4和节点N2的电压相同，通道晶体管M2会关断。在电荷分享之后，节点N2的电压等同于接地，以及节点NCP的电压与节点N5的电压相同。于是体效应的影响变得不显著，如上所述。

在时区T8：

时钟信号DP4由”低”状态转换为”高”状态。此时，节点N1和N7的电压会升高至约与时区T6相同的电压程度。预充电晶体管M8导通，通道晶体管M2保持关断。

在一实施例中，电路可以利用在单一N型阱(N-wel1)中的小布局，而其它实施例，当然也可以利用在多重阱中的布局。举例而言，在NMOS电荷泵电路中，其需要将晶体管的阱分开，且其大小为PMOS电荷泵电路的两倍，因为其可以利用单一阱。

本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行更动与修改，因此本发明的保护范围以所提出的权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种电荷泵电路，包括：

一第一电荷泵级，包含一第一子电荷泵电路，耦合至一第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，其中该第一子电荷泵电路用以降压该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的一栅极，藉以增加该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的预充电效率；以及

一第二电荷泵级，耦合至该第一电荷泵级，该第二电荷泵级包含一第二子电荷泵电路，耦合至一第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，其中该第二子电荷泵电路用以降压该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的一栅极，藉以增加该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的预充电效率。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路，还包括：

一第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管，耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极；以及

一第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管，耦合至该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极。

3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中：

该第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管具有一源极、一漏极与一栅极电容，其中该源极耦合至接地、该漏极耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极、以及该栅极电容耦合至一控制信号，且该控制信号的启动导致该第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管对该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管放电；以及

该第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管具有一源极、一漏极与一栅极电容，其中该源极耦合至接地、该漏极耦合至该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极、以及该栅极电容耦合至该控制信号，且该控制信号的启动导致该第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管对该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管放电。

4.如权利要求1所述的电荷泵电路，还包括：

一第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有一源极、一漏极与一栅极，该源极耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的一源极，其栅极耦合至一第一电容，该电容耦合至一第一时钟信号；

一第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管，其源极耦合至该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极，其漏极和栅极耦合在一起且耦合至地，其中该第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管对该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极进行初始化；

一第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管，其源极耦合至该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该漏极，栅极耦合到该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的一漏极，该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦合至一第二电容，该一第二电容耦合至一第二时钟信号；以及

一第二初始化金属氧化物半导体场效应晶体管，其源极耦合至该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极，其漏极和栅极耦合在一起且耦合至地，其中该第二初始化金属氧化物半导体场效应晶体管对该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极进行初始化。

5.如权利要求4所述的电荷泵电路，还包括一初始级，包含一第三通道金属氧化物半导体场效应晶体管，该第三通道金属氧化物半导体场效应晶体管具有一源极、一漏极与一栅极电容，其中该源极耦合至接地、该漏极耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极、以及该栅极电容耦合至一第三时钟信号。

6.如权利要求1所述的电荷泵电路，还包括从该第二电荷泵级输出的一负电荷泵输出信号。

7.一种电荷泵电路，包括：

一第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极；

一第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其漏极耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极，其中，该第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦合至一控制信号，该控制信号的启动导致该第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管将该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管放电；

一第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极；

一第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极，该第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极和其漏极耦合在一起，其中，该第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管对该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极进行初始化；以及

一第一子电荷泵电路，耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，其中该第一子电荷泵电路用以降压该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极，藉以增加该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的预充电效率。

8.如权利要求7所述的电荷泵电路，还包括：

一时钟信号，耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极；

一金属氧化物半导体场效应晶体管设置为一二极管，具有一启始电压，耦合在该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极与该源极之间，其中该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极放电至一电压程度，该电压程度等于该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极加上该启始电压的电压值大小，对应于该时钟信号的一第一转换。

9.如权利要求7所述的电荷泵电路，还包括：

一第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极；

一电荷泵级，耦合至该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管，该电荷泵级包括：

一第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极；

一第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其漏极耦合至该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极，其中，该第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦合至该控制信号，该控制信号的启动导致该第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管将该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管放电；以及

一第二初始化金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极，其中，该第二初始化金属氧化物半导体场效应晶体管对该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极进行初始化。

10.一种存储器组件，包括：

多个非易失性存储器单元；以及

一电荷泵电路，耦合至该多个非易失性存储器单元，该电荷泵电路包括：

一第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极；

一第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其漏极耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极，其中，该第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦合至一控制信号，该控制信号的启动导致该第一放电金属氧化物半导体场效应晶体管将该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管放电；

一第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极；

一第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极，该第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极和其漏极耦合在一起，其中，该第一初始化金属氧化物半导体场效应晶体管对该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极进行初始化；以及

一第一子电荷泵电路，耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，其中该第一子电荷泵电路用以降压该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极，藉以增加该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的预充电效率。

11.如权利要求10所述的存储器组件，还包括一第一阱，其中该电荷泵电路设置于该第一阱中。

12.如权利要求10所述的存储器组件，还包括：

一时钟信号，耦合至该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极；

一金属氧化物半导体场效应晶体管设置为一二极管，具有一启始电压，耦合在该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极与该源极之间，其中该第一预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极放电至一电压程度，该电压程度等于该预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极加上该启始电压的电压值大小，对应于该时钟信号的一第一转换。

13.如权利要求10所述的存储器组件，还包括：

一第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第一通道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极；

一电荷泵级，耦合至该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管，该电荷泵级包括：

一第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极；

一第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其漏极耦合至该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极，其中，该第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极耦合至该控制信号，该控制信号的启动导致该第二放电金属氧化物半导体场效应晶体管将该第二预充电金属氧化物半导体场效应晶体管放电；以及

一第二初始化金属氧化物半导体场效应晶体管，具有一源极、一栅极与一漏极，其源极耦合至该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极，其中，该第二初始化金属氧化物半导体场效应晶体管对该第二通道金属氧化物半导体场效应晶体管的该源极进行初始化。

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