CN1949662A - 用于超宽带应用的放大器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种用于超宽带(UWB)应用的放大器装置和一种放大UWB信号的方法。晶体管(3)与具有可控谐振频率的谐振电路相连,该晶体管的控制输入端构成该装置的输入端(1)。在所述谐振电路处构成该装置的输出端(2)。所述谐振电路包括确定频率的电感(7、8、10、13),其值是可控的。通过实现这一点,能够预先选择不同的频带,同时在每个频带中获得相同的增益特性。

Description

用于超宽带应用的放大器装置和方法
技术领域
本发明涉及用于超宽带应用的放大器装置、含有这种放大器装置的接收机、射频混频器、分频器和时钟发生器、以及放大超宽带信号的方法。
所述超宽带(UWB)标准是指系统能够在比常规系统更宽的频率范围上传输信号。UWB信号所占用的频谱、也就是该UWB信号的带宽至少为中心频率的25%。因此,例如具有中心频率为2GHz的UWB信号覆盖最小带宽为500MHz。用于产生UWB信号的最常见的技术就是发射脉冲持续时间小于1ns的脉冲。UWB也被称为非正弦通信技术。
第一代超宽带系统允许3.1~5GHz的频率带宽,后代将所述频率带宽扩展至作为上限的10.6GHz。如上所述,由于宽的可用信道带宽,可达到的数据传输速率非常高。高频且同时低发射功率导致应用被限制于具有典型小于10米范围的短距离传输。
根据UWB标准的频谱被划分为13个子频带,所述子频带又以组的形式被连接在一起。在具有带宽为576MHz的每个频带中,放大将具有少于1dB的容差。这也被称为增益平坦性。
背景技术
在由Christian Grewing、Martin Friedrich、Giuseppe Li Puma、Christoph Sandner、Stefan van Waasen、Andreas Wiesbauer、KayWinterberg所著的“Fully-Integrated Ultra-Wideband CMOS LowNoise Amplifier”(ESSCIRC 2004,30th European Solid-State CircuitConference,21-23 September 2004,Leuven,Belgium)文献中,提出一种用于UWB的低噪声放大器。在那里通过不是作为单个器件而是作为分布式器件实施放大晶体管来实现在频率范围上的增益小变化的同时覆盖几千兆赫的大频率范围。要实现这一点,将几个晶体管并联。有源晶体管通过传输线路彼此相连,所述传输线路将传输功能组合以便获得所期待的频率特性。这种分布式放大器具有相对大的功耗且需要大的硅芯片面积。
可代替地,能够提供构成负载的谐振电路,利用该谐振电路,确定频率的电容在预定的离散值之间被切换以实现不同的频带。这些器件也被称为电容调谐放大器。当装配这种LC并联谐振电路时,显然随着频率增加,振幅也增加。
这种电容调谐放大器的增益根据以下公式计算:
A = g m · 2 π · f o · Q · L load = g m 2 π Q C load · f o ( f 0 f oMAX ) 2
其中A代表增益,gm代表跨导,Q代表品质因数,f0代表工作频率,Lload代表电感性负载,Cload代表电容性负载,以及F0max代表最大工作频率。
所述增益A明显依赖于频率。但是,这与UWB应用所期望的增益平坦性相矛盾。
发明内容
本发明的目标是提供用于UWB应用的放大器装置、以及接收机、射频混频器、分频器、时钟发生器、和用于放大UWB信号的方法,利用其在相同功耗的情况下降低了增益的频率依赖性。
根据本发明,所述目标在装置方面通过根据权利要求1的用于UWB应用的放大器装置来解决。具有依据本原理的放大器装置的接收机、射频混频器、分频器和时钟发生器分别在权利要求13、14、15和16中提出。关于所述方法,所述目标通过具有根据权利要求17的步骤的用于放大UWB信号的方法来解决。在从属权利要求中提出优选的实施例。
根据本发明,提供了一种用于UWB应用的放大器装置,其中信号输入端接收输入信号,该信号输入端与晶体管的控制输入端相连。所述负载由具有可控谐振频率的谐振电路来表示,该谐振电路与所述晶体管相耦合。所述谐振电路被设计成LC振荡器,其中有效电感的值可被控制。在与所述谐振电路相连的信号输出端提供经放大的信号。
所述LC振荡器的电容不必被实施为分立或集成器件。可代替地,总要存在于电路中的寄生电容可以被再使用为在射频范围内具有所期望的应用的确定频率的电容。
所提供的电路的特有特征是在宽带应用中提供对某一频率范围的预选,所述频率范围应该覆盖几千兆赫的频率范围,其中谐振负载包括振荡器,控制确定频率的电感,而非控制确定频率的电容。因此,提供电感调谐放大器。
与切换电容相反,可调谐和/或可切换电感的使用导致在非常大的频率范围内相对恒定的输出负载阻抗。这也是因为在低频时介电常数(inductivity)的增加会导致对小频率和小品质因数的补偿。所述增益A′由以下公式得出:
A ′ = g m · 2 π · f o · Q · L Last = g m 2 π Q C Last · f o
当比较电容调谐放大器的增益与电感调谐放大器的增益时,应该注意到:利用所建议的放大器装置,以恒定功耗在非常宽的频率范围上获得高增益。由于工作频率总是小于最大工作频率,所以对于所有频率而言,所述增益A′大于增益A。除此之外,在本发明中,当将所述电感切换到另一频率范围时,所述增益不受影响。
作为另外的优点,由于能够将所述电容器实施为寄生器件,因此可以减少器件的数量。
在一个优选的实施例中,所述至少一个开关与确定频率的电感相连,用于通过在第一和第二预定的电感值之间切换来控制该确定频率的电感的值。
尤其是,在所述电路的单端方案中的应用的情况下,可能有利的是将所述开关与第一电感器并联以及将另一电感器与由所述第一电感器和所述开关构成的并联电路串联。
反之,在所述放大器的对称结构的情况下,可能有利地是用两对电感器以对称方式实现确定频率的介电常数,每对电感器都包括在分接节点中彼此相连的两个电感器器件。两个分接节点经开关彼此相连。在差分信号处理的情况下,虚地电位实际上存在于开关处。这对所述电路的特性具有显著的优点。
当然,在单端电路以及差动实施例的情况下可以使用其它开关,所述其它开关被分配给其它电感器,以便获得该总体结构的其它预定的电感值。
所述开关或者这些开关分别优选地由控制装置控制,该控制装置在其输出侧分别与所述开关的控制输入端相连,或与所述这些开关的这些控制输入端相连。
这尤其有利于在所述控制装置的输入侧向所述控制装置馈送所期望的频率范围的值或一组频率范围的值。
为了除对频率范围的粗选之外提供对所述频率范围的微调,确定频率的电容可以被设计成可控电容器和/或可调谐电容器。该电容能够以离散步骤被切换,和/或能够以与控制信号成比例的方式被控制。例如,这可用变容二极管实现。
优选地为所述至少一个晶体管分配一个共射共基级,通过这样做来进一步改善频率特性。
优选地,所述放大器装置被接在接收天线和信号处理单元之间。可代替地,该放大器装置优选地被接在信号处理单元和发射天线之间。
当然,在射频混频器、分频器或其它功能块中使用该放大器装置均处于本发明的范围内。在时钟发生器、例如在具有LC槽路和注入锁定IQ发生器的振荡器中可应用本原理。为了实现射频混频器,可能有利的是例如提供另一信号输入端用于接收具有混频的信号,该混频也被称为本振频率或载频。所述至少一个晶体管与其它晶体管相连用于构成乘法器核。该乘法器核用电负载来加载,所述电负载包括具有可控谐振频率的根据本原理的谐振电路。
因此,分频器能被设计成具有晶体管的主从触发器,其中所述晶体管彼此相连以构成这种主从触发器,并与根据本原理的具有可控电感的谐振电路形式的电负载相连。
所提出的原理还可被应用于根据注入锁定IQ发生器原理的时钟发生器。
在这些和其它应用的情况下,具有通过控制确定频率的电感可控的频率的谐振负载产生在几个频率范围上的恒定振幅和在频率上的恒定电流消耗。
根据所提出的用于放大UWB信号的方法,通过与谐振电路形式的电负载相连的晶体管来放大输入信号。所述谐振电路所包含的电感的值根据预定的信道和/或频率范围来进行控制。所述振荡器还包括分立或集成器件形式或寄生电容形式的电容。在该振荡器的分接节点处提供经过放大的信号。
优选地,不是以模拟的方式而是以离散的步骤对所述电感的值进行控制。另外,优选的是使所述电感根据预定的信道跳频程序(channel hopping procedure)受到控制。例如在UWB应用的情况下,可以根据预定的信道跳频图案周期性地选择不同的信道。这种控制信号能被馈送给可控电感。
例如,为了提供对振荡频率和/或频率范围的附加微调,可能有利的是也提供电容作为可控器件、例如作为以离散步骤可控的器件或者作为可调谐器件。
附图说明
本发明的其它实施例和细节在从属权利要求中给出。
随后将参照附图利用几个实施例对本发明作更详细的说明。
图1示出根据所提出的原理的UWB放大器装置的第一实施例,
图2示出根据所提出的原理的放大器装置的第二实施例,
图3示出根据举例所提出的原理的UWB放大器装置的第三实施例,
图4示出根据UWB标准的频带,
图5示出应用于根据举例所提出的原理的放大器装置的具有可切换值的电感的结构,
图6示出针对并联谐振电路的不同调谐原理的对振幅的频率依赖性的比较,
图7示出根据示例性所提出的原理的放大器装置的AC特性图,
图8示出在接收机中UWB放大器装置的应用例,
图9示出使用放大器装置的射频混频器的例子,
图10示出使用放大器装置的分频器的例子,和
图11示出使用放大器装置的时钟发生器的例子。
具体实施方式
图1示出一种用于超宽带应用UWB的放大器装置。信号输入端1包括用于接收输入信号Vin的一对端子,并被设计用于差分信号处理。在输出端2处可以提供输出信号,该输出信号被称为Vout并代表经过放大的输入信号。输入端子1与构成差分放大器的两个晶体管3、4的控制端子相连。为此,所述晶体管3、4的源极端子彼此相连,并经由电流源50与地电位端子Vss相连。在漏极侧,晶体管3、4的每一个均与共射共基晶体管5、6在其源极端子处相连。所述共射共基晶体管5、6的漏极端子在对称电路设计中与输出端2相连。所述共射共基晶体管5、6的栅极端子被设计以接收恒定的偏压电位Vbias。所述差分放大器的晶体管3、4和所分配的共射共基晶体管5、6每一个均被构成为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
具有可控谐振频率的振荡器被接在所述对称的输出端2和电源电位端子VDD之间。所述振荡器包括对称的电感7、8、10、11、12、13、14、15,所述对称的电感的值是可控的。LC振荡器的确定频率的电容不是作为离散的器件被示出,而是由射频电路的寄生效应形成。
详细地说,确定频率的介电常数包括一对电感器7、8,每个电感器用一个端子与所述输出端2相连。该线圈7、8的相应另一端子经由第一开关9彼此相连。此外,电感器件7、8的所述另一端子分别经由三个电感器10、11、12;13、14、15的串联电路与电源电位端子VDD相连。所述电感器之间的分接节点用相应的其它开关16、17彼此相连,构成虚地。所述开关9、16、17被构成为MOSFET。开关9、16、17的栅极端子与控制装置18的输出端相连。在该控制装置18的输入侧能够接收代表所期望的频带和/或所期望的信道的信道字KW。
根据该信道字KW,分别打开和闭合开关9、16、17。通过这样操作,所述谐振电路的谐振频率分别被调谐至输入信号的所期望的频率和其频率范围。
正如以下更详细的描述,根据所提出的原理,能够不依赖于所期望的频率范围而对于不同的频带得到相同的振幅。因此,在不同频率范围上增益对频率的依赖函数基本相同。
图2示出对图1所示的电路的修改,就所使用的器件、其有利的相互连接以及其功能而言,所述修改在极大程度上对应于图1的电路。就此而论,这里不再作重复描述。除此之外,根据图2的电路包括具有电容器的电容器组19,所述电容器能够根据开关位置在输出端2的端子之间被连接和断开,并因此被连接至振荡器或者从所述振荡器断开。为实现这点,单个电容器以对称的结构经由相应的开关被串联在连接至该电路输出端2的电路节点与参考电位端子之间。这些串联电路在对称电路设计中彼此并联。所述开关的控制端子以成对的形式被连接至控制装置20的其它输出端子上。
借助于附加的电容器19,能够提供对所述频率范围的微调。可切换电感器优选地被用于频率范围的粗调。
图3示出图1所示电路的另一种修改,该修改未被设计用于差分信号处理,而是用于利用能够利用单导体实施的单端信号处理。该放大器装置具有与晶体管22的控制输入端相连的信号输入端21。在该晶体管22和输出端23之间连接有另一晶体管24构成共射共基级。所述输出端23经由包括几个电感器26、27、28的串联电路与电源电位端子25相连。开关29与导体28并联,所述开关被构成为晶体管。与包括被连接至电源电位的两个电感器27、28的串联配置的电路并联有另一开关30,因此所述另一开关在导通状态下将电感器26的一个端子在输出侧直接连接至电源电位。所述开关29、30的控制电路也被连接至控制装置,所述控制装置在这里没有示出且根据所期望的频率范围KW来控制总电感。谐振电路由电感26~28与寄生电容共同构成。
假如图3涉及单端信号处理而非对称信号处理,则图3所示电路的功能对应于图1所示电路的功能。
图4示出根据UWB标准的14个频带,所述频带覆盖了从3.1GHz直至超过10GHz的频率。分别将这些频带中的两至三个组合在一起。在频率轴上分别示出了相关频带的中心频率。
根据图4中所示的实施例,可切换电感能够提供对频带组的选择,而对单频带和/或信道的微调能够借助于附加的可切换电容19来进行。当然,在可替代的解决方案中能够根据应用省去电容调谐和/或对可切换电感提供不同的频带分配。
此外,除了UWB之外,所提出的原理当然还可应用于其它宽带无线电应用。
图5示出具有通过开关可切换电感值的电感的实施例。示出了可能的布置的俯视图。为了简便起见,只示出了一个开关31,该开关允许在电感的两个值之间切换。该开关具有作为控制输入端的栅极端子。开关31将对称设计的电感的两个端子32、33以可切换的方式彼此连接。电感的相应另外的端子34、35被连接至有源区域36,该有源区域例如包括图1的晶体管3、4、5、6。除此之外,在所述有源区域处形成输入端1。在该有源区域36和可切换电感器的连接焊盘34、35之间提供所述电路的输出端2,其能够在图5的右侧被连接。
如可以看出,以集成电路技术不太费力地就能实现可切换电感器。这种电感器由于其对称的螺旋形布置而具有良好的高频特性。应提及的是,由于所期望的品质因数能够相对小(例如Q小于8)来实现所期望的增益平坦性特性,所以用于开关31的区域也可以相对小。
因此,可以看出所提出的原理的方面的一个优点是:图1和2中的电感器7、8和10~15,以及图3中的电感器26~28可以通过具有总电感的单线圈、而不是通过适当相连接的几个线圈来实现,因此允许具有更少寄生元件的紧凑布置。
电感元件的线圈具有多个匝和两个端部接触。优选地,所述线圈还具有以电气方式被耦合至一连接的中间接触,所述连接可被用于电压源或电流源的用途、接地、或保持不用。线圈的匝被如此布置,使得它们基本上彼此跨接,从而构成部分匝。在该情况下,所述匝被布置在同一平面内,该平面被称为匝平面。优选地,所述电感元件的控制电路具有开关元件,借助于所述开关元件能够改变线圈的两个分接接触之间的匝数。从而能够逐步地改变所述分接接触34、35之间的有效电感。所述线圈优选地能够通过开关31以以下方式被短路,即该线圈的至少一匝能够被连接。
当然,在图5所示电路的优选实施例中,能够结合其它开关,并且设计所述螺旋电感器在附加步骤中是可切换的。如果在所述控制电路中提供了多个开关元件,并且所述开关元件经由多于两个的分接接触以电气的方式被耦合至电感元件,那么能够在多个步骤中改变有效电感。因此,多个开关元件导致具有多频带能力的电感元件。
在一替代实施例中,开关31可以被构成为几个开关的并联电路。
图6示出两个并联谐振电路的比较,在图6左侧示出的一个并联谐振电路具有可控电容,在图6右侧示出的一个并联谐振电路具有可控电感。图6的下部分别示出了具有这种谐振电路的放大器装置的相对于频率的振幅。正如从图6可以看出,所提出的具有可控电感的装置允许在频率上显著改善了的增益恒定性、同时具有更高的带宽、更高的增益和电路的更少芯片面积消耗。
图7示出相对于对数尺度的频率的以分贝为单位的增益。从对所建议的放大器的这种AC分析中看出图5中所示的电路在增益平坦性方面具有所期望的特性。
图8示出所建议的具有可切换谐振频率的放大器装置的应用例。在接收路径中设置放大器装置37,并在输入侧通过带通滤波器38与天线39相连。在输出侧,该放大器装置37与信号处理单元40相连。根据输入信号的用信道字KW所代表的频率范围,放大器37的电感是可控的。所述放大器装置被构成为低噪声放大器。
图9示出根据所提出的原理的放大器装置另一应用例。乘法器核42与例如如图5中所示的包括可控电感和寄生恒定值电容的LC并联谐振电路41相连。该乘法器核可以包括几个晶体管,这些晶体管彼此相连来例如以Gilbert乘法器的方式执行射频信号的相乘。根据输入信号的用信道字KW所代表的频率范围来控制该电感。
图10示出另一应用例。根据所提出的原理的LC并联谐振电路41与分频器块43相连。在本例中,该分频器块43被实现为主从触发器以构成除二分频器。
高频除二电路在例如由压控振荡器VCO输出定时的反馈回路中包括两个电感性负载的电流模式触发器。电感性负载被用于解谐与反馈分频器、缓冲级和布线电容相关的相对大的电容性负载。利用可切换电感器来增大注入锁定分频器的工作频率范围。事实上,与切换电容不同,由于在低频时的电感增加补偿了更低的频率和更低的品质因数,所以可切换电感的使用提供了跨越宽频范围的相对恒定的输出负载阻抗。
图11示出可应用本发明的另一例子、即时钟发生器。LC槽路压控振荡器VCO是一种应用,在所述应用中该槽路的电感和电容均被切换以增加频率调谐范围。
切换电感器还能被用于实现两相、即同相和正交相(I和Q)时钟频率整数乘法器。根据图11的I-Q时钟发生器包括由LC槽路45、46控制的自由振荡LC环形振荡器44,其中频率等于输入频率的所期望的整数倍。因此,通过切换电感能够在宽范围内改变输出频率。此外,与切换电容不同,由于在低频时电感增加补偿了更低的频率和更低的品质因数,所以可切换电感的使用提供了跨越宽频范围的相对恒定的输出负载阻抗。在输入47处的输入信号被90度移相,且然后分别通过移相器48和连接在之后的注入式放大器49被注入振荡器中。注入式放大器49和环形振荡器增益单元两者是共享相同的电感性负载的差分对。由于其对输入不平衡的不灵敏性,所述环形振荡器当在自由振荡频率之上工作时能够在输出端51处产生精确的正交信号。此外,当输入频率处在该环形振荡器的锁定范围内时,发生器能够跟踪注入源的信号变化。由于频率与因数N相乘,锁定发生器输出的相位噪声在理想情况下比所述注入源的相位噪声高20*log(N)倍。当被注入锁定后,LC振荡器的固有相噪声受到抑制,并且不会降低输出本振(LO)信号的信噪比SNR。由于其完全对称的拓扑,注入锁定环形振荡器也对在其输入端47处的输入不平衡不灵敏。但是,应当使被正交注入的信号中的相位误差保持尽可能低、优选地低于预定的门限值,使得未被环形振荡器滤波的任何相位不平衡都能够由避开电感器的微调用的变容管所实现的相位调谐电路进行校正。例如,输入信号频率可以等于5GHz,且环形振荡器能够被调谐至刚好低于注入式放大器输出的三次谐波的频率、即15GHz。
参考符号表
1 输入端
2 输出端
3 晶体管
4 晶体管
5 晶体管
6 晶体管
7 电感器
8 电感器
9 开关
10 电感器
11 电感器
12 电感器
13 电感器
14 电感器
15 电感器
16 开关
17 开关
18 控制装置
19 电容器组
20 控制装置
21 输入端
22 晶体管
23 输出端
24 共射共基
25 电源电位端子
26 电感器
27 电感器
28 电感器
29 开关
30 开关
31 晶体管
32 连接焊盘
33 连接焊盘
34 连接焊盘
35 连接焊盘
36 有源区域
37 LNA
38 带通滤波器
39 天线
40 信号处理
41 可切换电感器
42 乘法器核
43 主从触发器
44 环形振荡器
45 LC槽路
46 LC槽路
47 输入端
48 移相器
49 注入式放大器
50 电流源
51 输出端
52 调谐增益级

Claims (20)

1.用于超宽带应用的放大器装置,具有:
-用于接收输入信号的信号输入端(1),
-具有可控谐振频率的谐振电路,包括至少一个确定频率的电容和包括至少一个确定频率的电感(7,10),其值是可控的,
-至少一个晶体管(3),其与所述谐振电路相连,且其控制输入端与所述放大器装置的信号输入端(1)相连,以及
-用于提供经过放大的信号的信号输出端(2),其与所述谐振电路相连。
2.根据权利要求1的放大器装置,其特征在于:至少一个开关(9)与所述确定频率的电感(7,10)相连,用于通过在第一和至少一个第二电感值之间进行切换来控制所述确定频率的电感的值。
3.根据权利要求2的放大器装置,其特征在于:开关(29)与第一电感器(28)并联,并且该并联电路与第二电感器(27)串联。
4.根据权利要求2的放大器装置,其特征在于:所述确定频率的电感以对称的方式被构成,具有两对电感器(7,8;10,13),所述电感器中的两个分别在分接节点中彼此相连,所述分接节点经由开关(9)彼此相连。
5.根据权利要求1至4之一的放大器装置,其特征在于:提供具有用于接收信道字(KW)的输入端和一输出端的控制装置(18),所述输出端被耦合至所述确定频率的电感,用于根据所述信道字来控制该确定频率的电感。
6.根据权利要求2至4之一和权利要求5的放大器装置,其特征在于:所述控制装置(18)在其输出端处与至少一个开关(9)的控制输入端相连。
7.根据权利要求1至6之一的放大器装置,其特征在于:所述放大器装置以对称的方式被构成。
8.根据权利要求1至7之一的放大器装置,其特征在于:所述至少一个确定频率的电容包括寄生电容。
9.根据权利要求1至8之一的放大器装置,其特征在于:所述至少一个晶体管(9)利用集成金属绝缘体半导体电路来实现。
10.根据权利要求1至9之一的放大器装置,其特征在于:为了提供对所述谐振频率的微调,所述至少一个确定频率的电容(19)是可控的。
11.根据权利要求1至10之一的放大器装置,其特征在于:共射共基级(5)被分配给至少一个晶体管(3),并与之相连。
12.根据权利要求1至11之一的放大器装置,其特征在于:所述至少一个电感在集成电路中被构成为螺旋形器件(41)。
13.含有根据权利要求1至12之一的放大器装置的接收机,其特征在于:所述放大器装置被接在天线(39)和信号处理单元(40)之间。
14.含有根据权利要求1至12之一的放大器装置的射频混频器,其特征在于:提供另外的信号输入端来接收具有混频的信号,所述另外的信号输入端被连接至另一晶体管的控制输入端,所述另一晶体管和晶体管以某一方式彼此相连以构成乘法器核(42)。
15.含有根据权利要求1至12之一的放大器装置的分频器,其特征在于:所述至少一个晶体管被连接至另外的晶体管,用于构成表示分频器的触发器(42)。
16.含有根据权利要求1至12之一的放大器装置的时钟发生器,其特征在于:所述放大器装置被布置在环形振荡器(44)中,所述环形振荡器经由注入式放大器(49)通过移相器(48)控制。
17.放大超宽带信号的方法,具有以下步骤:
-通过晶体管(3)放大输入信号,该晶体管与代表电负载(41)的谐振电路相连,
-根据预定的信道(KW)控制电感的值,所述谐振电路包括该电感和电容,
-在所述谐振电路的分接节点(2)处提供经过放大的信号。
18.根据权利要求17的方法,其特征在于:以离散步骤的方式控制所述电感(7,8,10,13)的值。
19.根据权利要求18的方法,其特征在于:根据预定的信道跳频程序来控制所述电感。
20.根据权利要求17至19之一的方法,其特征在于:控制所述电感(19)的值以提供对所期望的频率范围的微调。
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