CN206099903U - 一种高线性度高增益的有源混频器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高线性度高增益的有源混频器,包括两个主跨导放大电路接入射频差分电压信号，分别进行跨导放大转换成第一射频电流信号和第二射频电流信号，两个辅跨导放大管接入射频差分电压信号，分别进行跨导放大转换成第三射频电流信号和第四射频电流信号，第三射频电流信号和第四射频电流信号分别通过第一电流镜和第二电流镜进行电流放大，并分别与第一射频电流信号和第二射频电流信号叠加形成两个叠加射频电流信号，输入到开关级电路；负载级电路向开关级电路输出直流电流，开关级电路接入本振信号，对两个叠加射频电流信号进行周期性换向，实现混频。本实用新型能解决线性度与增益之间的矛盾，同时提高线性度和增益。
Description
技术领域
本实用新型涉及混频器技术领域,特别涉及一种高线性度高增益的有源混频器。
背景技术
无线通信技术中，射频接收机是必不可少的。射频前端中，混频器作为的关键部分,其性能指标将直接影响整个无线通信系统的质量。混频器的线性度通常决定了射频接收机的动态范围。
随着CMOS工艺特征尺寸不断降低，CMOS工艺的特征频率不断提高，已从几个GHz变到几十GHz，甚至上百GHz，CMOS工艺特别适合模拟电路与数字电路集成在单个芯片上，形成SOC的设计方案。MOS管尺寸的减小使得供电电压降低，功耗减小。
忽略混频器开关级电路的非理想开关特性，混频器的线性度主要由跨导输入级电路决定，其主要是MOS管的I-V非线性转换引起的，一般采用三阶交调点(IIP3)作为线性度的衡量标准。
传统的Gilbert混频器，一般采用源级电阻/电感负反馈技术来改善混频器的线性度，使跨导级的跨导对输入信号变成弱函数，达到稳定跨导的作用。主要缺点是混频器的增益大幅降低，使用电阻反馈时，还引入了输入噪声。再者现有技术中传统的吉尔伯特有源混频器线性度较差，且存在线性度与增益的折中问题，导致无法满足现代对接收机高性能的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种高线性度高增益的有源混频器，所要解决的技术问题是：如何解决线性度与增益之间的矛盾，同时提高线性度和增益。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种高线性度高增益的有源混频器,包括第一主跨导放大电路、第二主跨导放大电路、第三阶跨导系数修正电流镜对、开关级电路和负载级电路，所述第一主跨导放大电路和第二主跨导放大电路均与所述第三阶跨导系数修正电流镜对连接，所述开关级电路分别与所述第三阶跨导系数修正电流镜对和所述负载级电路连接；所述第三阶跨导系数修正电流镜对包括第一辅跨导放大管、第二辅跨导放大管、第一电流镜和第二电流镜，第一主跨导放大电路和第二主跨导放大电路分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，分别对正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号进行跨导放大转换成第一射频电流信号和第二射频电流信号，所述第一辅跨导放大管和第二辅跨导放大管分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，进行跨导放大转换成第三射频电流信号和第四射频电流信号，第三射频电流信号和第四射频电流信号分别通过所述第一电流镜和第二电流镜进行电流放大转换成第五射频电流信号和第六射频电流信号，所述第五射频电流信号与第一射频电流信号叠加形成第一叠加射频电流信号；所述第六射频电流信号与第二射频电流信号叠加形成第二叠加射频电流信号，第一叠加射频电流信号和第二叠加射频电流信号输入到开关级电路，所述负载级电路接入电源电压VDD，向所述开关级电路输出直流电流，所述开关级电路接入本振信号LO-和本振信号LO+控制其导通和中断，对第一叠加射频电流信号和第二叠加射频电流信号进行周期性换向，实现混频。
本实用新型的有益效果是：MOS管工作在不同工作区时，I-V特性中的三阶交调电流相位相反，通过第三阶跨导系数修正电流镜对，使得第一主跨导放大电路和第二主跨导放大电路中输出电流给开关级电路中的三阶交调电流分量减小，基波电流分量增加，从而提高线性度，同时又增加了跨导输入级的跨导，进而提高了混频器的增益。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
进一步，所述第一主跨导放大电路包括晶体管M1和电容C1，所述晶体管M1的栅极接入射频电压信号正端RF+，所述晶体管M1的漏极分别与第一电流镜和开关级电路连接，其源极经电感L1接地；所述电容C1的一端与晶体管M1的栅极连接，另一端与第一辅跨导放大管连接。
进一步，所述第二主跨导放大电路包括晶体管M2和电容C2，所述晶体管M2的栅极接入负端RF-的射频差分电压信号，所述晶体管M2的漏极分别与第二电流镜对和开关级电路连接，其源极经电感L2接地；所述电容C2的一端与晶体管M2的栅极连接，另一端与第二辅跨导放大管连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：第一主跨导放大电路和第二主跨导放大电路分别接入射频差分电压信号RF+和射频差分电压信号RF-，进行跨导放大，增加了跨导输入级的跨导。
进一步，所述第一电流镜包括晶体管M7和晶体管M8，所述第二电流镜包括晶晶体管M9和晶体管M10，所述晶体管M7和晶体管M8的栅极相连，所述晶体管M7和晶体管M8的源极均接入电源电压VDD；所述晶体管M8的漏极与所述晶体管M1的漏极连接；所述晶体管M9和晶体管M10的栅极相连，所述晶体管M9和晶体管M10的源极均接入电源电压VDD，所述晶体管M9的漏极与所述晶体管M2的漏极连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：第一电流镜和第二电流镜对第三射频电流信号和第四射频电流信号分别进行放大，转换成第五射频电流信号和第六射频电流信号，提高了增益。
进一步，所述晶体管M7与所述晶体管M10的宽长比均为a1，所述晶体管M8与所述晶体管M9的宽长比均为a2，其中a2/a1＝m,m为任意大于1的实数。
进一步，所述第一辅跨导放大管包括晶体管M1a，第二辅跨导放大管包括晶体管M2a，所述晶体管M1a的漏极与所述晶体管M7的漏极连接，所述所述晶体管M1a的栅极与所述电容C1连接，其源极经电感L1接地；所述晶体管M2a的漏极与所述晶体管M10的漏极连接，所述晶体管M2a的栅极与所述电容C2连接，其源极经电感L2接地。
采用上述进一步方案的有益效果是：第一辅跨导放大管和第二辅跨导放大管分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，进行跨导放大转换成第三射频电流信号和第四射频电流信号，进行辅助跨导放大，增加了跨导。
进一步，所述晶体管M1a和所述晶体管M2a的宽长比相等，所述电感L1和电感L2大小相等。
采用上述进一步方案的有益效果是：使栅极的偏置电压相同，都工作在亚阈值区。
进一步，所述负载级电路包括电容C3、电容C4、电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端接入电源电压VDD，另一端与开关级电路连接；所述电容C3与所述电阻R1并联；所述电阻R2的一端接入电源电压VDD，另一端与开关级电路连接；所述电容C4与所述电阻R2并联。
采用上述进一步方案的有益效果是：使混频后的中频电流信号转换成中频电压信号，负载级还采用低通滤波器过滤掉高频的电压信号，提高隔离度。
进一步，所述开关级电路包括晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6，所述晶体管M3和晶体管M6的栅极均接入本振信号LO+，所述晶体管M4和晶体管M5的栅极相连接入本振信号LO-，所述晶体管M3的源极与所述晶体管M4的源极相连，并与所述晶体管M1的漏极连接；所述晶体管M5的源极与所述晶体管M6的源极相连，并与所述晶体管M2的漏极连接；所述晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极相连，并与电阻R1连接；同时混频后的中频信号IF+经所述晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极输出；所述晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极相连，并与电阻R2连接；同时混频后的中频信号IF-经所述晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极输出。
采用上述进一步方案的有益效果是：开关级电路对信号进行混频，实现射频信号向中频信号的转变。
附图说明
图1为本实用新型一种高线性度高增益的有源混频器的电路原理图；
图2为本实用新型的IIP3仿真结果图；
图3为电压转换增益CG仿真图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一主跨导放大电路，2、第二主跨导放大电路，3、第三阶跨导系数修正电流镜对，4、开关级电路，5、负载级电路，6、第一辅跨导放大管，7、第二辅跨导放大管，8、第一电流镜，9、第二电流镜。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1至图3所示，一种高线性度高增益的有源混频器,包括第一主跨导放大电路1、第二主跨导放大电路2、第三阶跨导系数修正电流镜对3、开关级电路4和负载级电路5，所述第一主跨导放大电路1和第二主跨导放大电路2均与所述第三阶跨导系数修正电流镜对3连接，所述开关级电路4分别与所述第三阶跨导系数修正电流镜对3和所述负载级电路5连接；所述第三阶跨导系数修正电流镜对3包括第一辅跨导放大管6、第二辅跨导放大管7、第一电流镜8和第二电流镜9，第一主跨导放大电路1和第二主跨导放大电路2分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，分别对正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号进行跨导放大转换成第一射频电流信号和第二射频电流信号，所述第一辅跨导放大管6和第二辅跨导放大管7分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，进行跨导放大转换成第三射频电流信号和第四射频电流信号，第三射频电流信号和第四射频电流信号分别通过所述第一电流镜8和第二电流镜9进行电流放大转换成第五射频电流信号和第六射频电流信号，所述第五射频电流信号与第一射频电流信号叠加形成第一叠加射频电流信号；所述第六射频电流信号与第二射频电流信号叠加形成第二叠加射频电流信号，第一叠加射频电流信号和第二叠加射频电流信号输入到开关级电路5，所述负载级电路5接入电源电压VDD，向所述开关级电路4输出直流电流，所述开关级电路4接入本振信号LO-和本振信号LO+控制其导通和中断，对第一叠加射频电流信号和第二叠加射频电流信号进行周期性换向，实现混频；
MOS管工作在不同工作区时，I-V特性中的三阶交调电流相位相反，通过第三阶跨导系数修正电流镜对3，使得第一主跨导放大电路1和第二主跨导放大电路2中输出电流给开关级电路4中的三阶交调电流分量减小，基波电流分量增加，从而提高线性度，同时又增加了第一主跨导放大电路1和第二主跨导放大电路2的跨导，进而提高了混频器的增益。
上述实施例中，所述第一主跨导放大电路1包括晶体管M1和电容C1，所述晶体管M1的栅极接入射频电压信号正端RF+，所述晶体管M1的漏极分别与第一电流镜8和开关级电路4连接，其源极经电感L1接地；所述电容C1的一端与晶体管M1的栅极连接，另一端与第一辅跨导放大管6连接；所述第二主跨导放大电路2包括晶体管M2和电容C2，所述晶体管M2的栅极接入负端RF-的射频差分电压信号，所述晶体管M2的漏极分别与第二电流镜9和开关级电路4连接，其源极经电感L2接地；所述电容C2的一端与晶体管M2的栅极连接，另一端与第二辅跨导放大管7连接；
第一主跨导放大电路1和第二主跨导放大电路2分别接入射频差分电压信号RF+和射频差分电压信号RF-，进行跨导放大，增加了第一主跨导放大电路1和第二主跨导放大电路2的跨导。
上述实施例中，所述第一电流镜8包括晶体管M7和晶体管M8，所述第二电流镜9包括晶晶体管M9和晶体管M10，所述晶体管M7和晶体管M8的栅极相连，所述晶体管M7和晶体管M8的源极均接入电源电压VDD；所述晶体管M8的漏极与所述晶体管M1的漏极连接；所述晶体管M9和晶体管M10的栅极相连，所述晶体管M9和晶体管M10的源极均接入电源电压VDD，所述晶体管M9的漏极与所述晶体管M2的漏极连接；所述晶体管M7与所述晶体管M10的宽长比均为a1，所述晶体管M8与所述晶体管M9的宽长比均为a2，其中a2/a1＝m,m为任意大于1的实数；第一电流镜8和第二电流镜9对第三射频电流信号和第四射频电流信号分别进行放大，转换成第五射频电流信号和第六射频电流信号，提高了增益。
上述实施例中，所述第一辅跨导放大管6包括晶体管M1a，第二辅跨导放大管7包括晶体管M2a，所述晶体管M1a的漏极与所述晶体管M7的漏极连接，所述所述晶体管M1a的栅极与所述电容C1连接，其源极经电感L1接地；所述晶体管M2a的漏极与所述晶体管M10的漏极连接，所述晶体管M2a的栅极与所述电容C2连接，其源极经电感L2接地；所述晶体管M1a和所述晶体管M2a的宽长比相等，所述电感L1和电感L2大小相等；第一辅跨导放大管6和第二辅跨导放大管7分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，进行跨导放大转换成第三射频电流信号和第四射频电流信号，进行辅助跨导放大，增加了跨导；晶体管M1a和晶体管M2a使栅极的偏置电压相同，都工作在亚阈值区。
上述实施例中，所述负载级电路5包括电容C3、电容C4、电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端接入电源电压VDD，另一端与开关级电路4连接；所述电容C3与所述电阻R1并联；所述电阻R2的一端接入电源电压VDD，另一端与开关级电路4连接；所述电容C4与所述电阻R2并联；使混频后的中频电流信号转换成中频电压信号，负载级还采用低通滤波器过滤掉高频的电压信号，提高隔离度。
上述实施例中，所述开关级电路4包括晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6，所述晶体管M3和晶体管M6的栅极均接入本振信号LO+，所述晶体管M4和晶体管M5的栅极相连接入本振信号LO-，所述晶体管M3的源极与所述晶体管M4的源极相连，并与所述晶体管M1的漏极连接；所述晶体管M5的源极与所述晶体管M6的源极相连，并与所述晶体管M2的漏极连接；所述晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极相连，并与电阻R1连接；同时混频后的中频信号IF+经所述晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极输出；所述晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极相连，并与电阻R2连接；同时混频后的中频信号IF-经所述晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极输出；开关级电路对信号进行混频，实现射频信号向中频信号的转变。
混频器的第一主跨导放大电路1和第二主跨导放大电路2的MOS管的小信号电流按泰勒级数(忽略高阶项)展开得：
其中：gmn为第n阶跨导系数
如图2所示，低中频混频器中三阶交调分量的频率与基波频率接近，严重影响线性度，故采用三阶交调点作为线性度的衡量标准。输入三阶交调截点IIP3为：
由上式可知，可以通过增大gm1或减小gm3来改善混频器的线性度。
MOS管工作在强反型区时，电压与电流的关系：
其中：
Vod＝VGS-VTH
Vod为mos管的过驱动电压，VGS为栅源电压，VTH为阈值电压，K是管子参数，μ0是沟道电子迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容，W/L为晶体管的宽长比；
电流展开成泰勒级数时，跨导与第三阶跨导系数为：
MOS管工作在弱反型区时，电压与电流的关系：
其中，I0是MOS管特征电流，ζ是亚阈值斜率因子，VT为热电压；
MOS管的跨导以及跨导的二次导数的表达式如下：
第三阶跨导系数修正电流镜对3中，包括辅差分跨导放大对晶体管M1a、M2a和电流镜对晶体管M7、晶体管M8、晶体管M9、晶体管M10；晶体管M1a、M2a的宽长比相等，使栅极的偏置电压相同，都工作在亚阈值区；晶体管M7、晶体管M10的宽长比相等，晶体管M18、晶体管M9宽长比相等；晶体管M7、晶体管M8和晶体管M9、晶体管M10分别组成电流镜，宽长比为m；辅差分跨导放大对晶体管M1a、晶体管M2a的电流分别流入第一电流镜8中晶体管M7的漏级与第二电流镜9中晶体管M10的漏级；晶体管M8或晶体管M9输出的电流为：
I8,9＝mI7,10＝mI1a,2a
第三阶跨导系数修正电流镜对3与主跨导放大电路并联，晶体管M1的漏级与晶体管M8的漏极连接，形成第一叠加射频电流I1总传送到开关级电路，主差分跨导放大对中晶体管M2的漏级与第二电流镜(9)晶体管M9的漏极连接，形成第二叠加射频电流I2总电流传送到开关级电路，其中第一叠加射频电流I1总，第一叠加射频电流I2总中所包含的跨导和第三阶跨导系数为：
由上式可知，可以通过合理调节m的值使第三阶跨导系数gm3总为零，使线性度达到最大，即输入开关级电路4的第一叠加射频电流I1总，第一叠加射频电流I2总中三阶交调电流抵消掉，同时第一叠加射频电流I1总，第一叠加射频电流I2总中的总跨导gm1总增加，使本实用新型的混频器线性度增加，增益变大；
基于传统的Gilbert混频器与本实用新型所提供的高线性度、高增益有源混频器进行了对比试验，图2与图3给出了仿真结果，其中对比了传统的Gilbert混频器与本实用新型混频器的不同频点处的输入三阶交调点与电压转换增益。实验结果表明了，本实用新型混频器电路的输入三阶交调点在0.9-3.1GHz频带内比传统的Gilbert混频器高出6dB-8dB,同时，本实用新型混频器电路的电压转换增益CG在0.9-3.1GHz频带内比传统的Gilbert混频器高出2dB-3dB。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:包括第一主跨导放大电路(1)、第二主跨导放大电路(2)、第三阶跨导系数修正电流镜对(3)、开关级电路(4)和负载级电路(5)，所述第一主跨导放大电路(1)和第二主跨导放大电路(2)均与所述第三阶跨导系数修正电流镜对(3)连接，所述开关级电路(4)分别与所述第三阶跨导系数修正电流镜对(3)和所述负载级电路(5)连接；所述第三阶跨导系数修正电流镜对(3)包括第一辅跨导放大管(6)、第二辅跨导放大管(7)、第一电流镜(8)和第二电流镜(9)，第一主跨导放大电路(1)和第二主跨导放大电路(2)分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，分别对正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号进行跨导放大转换成第一射频电流信号和第二射频电流信号，所述第一辅跨导放大管(6)和第二辅跨导放大管(7)分别接入正端RF+的射频差分电压信号和负端RF-的射频差分电压信号，进行跨导放大转换成第三射频电流信号和第四射频电流信号，第三射频电流信号和第四射频电流信号分别通过所述第一电流镜(8)和第二电流镜(9)进行电流放大转换成第五射频电流信号和第六射频电流信号，所述第五射频电流信号与第一射频电流信号叠加形成第一叠加射频电流信号；所述第六射频电流信号与第二射频电流信号叠加形成第二叠加射频电流信号，第一叠加射频电流信号和第二叠加射频电流信号输入到开关级电路(5)，所述负载级电路(5)接入电源电压VDD，向所述开关级电路(4)输出直流电流，所述开关级电路(4)接入本振信号LO-和本振信号LO+控制其导通和中断，对第一叠加射频电流信号和第二叠加射频电流信号进行周期性换向，实现混频。
2.根据权利要求1所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述第一主跨导放大电路(1)包括晶体管M1和电容C1，所述晶体管M1的栅极接入射频电压信号正端RF+，所述晶体管M1的漏极分别与第一电流镜(8)和开关级电路(4)连接，其源极经电感L1接地；所述电容C1的一端与晶体管M1的栅极连接，另一端与第一辅跨导放大管(6)连接。
3.根据权利要求2所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述第二主跨导放大电路(2)包括晶体管M2和电容C2，所述晶体管M2的栅极接入负端RF-的射频差分电压信号，所述晶体管M2的漏极分别与第二电流镜(9)和开关级电路(4)连接，其源极经电感L2接地；所述电容C2的一端与晶体管M2的栅极连接，另一端与第二辅跨导放大管(7)连接。
4.根据权利要求3所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述第一电流镜(8)包括晶体管M7和晶体管M8，所述第二电流镜(9)包括晶晶体管M9和晶体管M10，所述晶体管M7和晶体管M8的栅极相连，所述晶体管M7和晶体管M8的源极均接入电源电压VDD；所述晶体管M8的漏极与所述晶体管M1的漏极连接；所述晶体管M9和晶体管M10的栅极相连，所述晶体管M9和晶体管M10的源极均接入电源电压VDD，所述晶体管M9的漏极与所述晶体管M2的漏极连接。
5.根据权利要求4所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述晶体管M7与所述晶体管M10的宽长比均为a1，所述晶体管M8与所述晶体管M9的宽长比均为a2，其中a2/a1＝m,m为任意大于1的实数。
6.根据权利要求4所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述第一辅跨导放大管(6)包括晶体管M1a，第二辅跨导放大管(7)包括晶体管M2a，所述晶体管M1a的漏极与所述晶体管M7的漏极连接，所述所述晶体管M1a的栅极与所述电容C1连接，其源极经电感L1接地；所述晶体管M2a的漏极与所述晶体管M10的漏极连接，所述晶体管M2a的栅极与所述电容C2连接，其源极经电感L2接地。
7.根据权利要求6所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述晶体管M1a和所述晶体管M2a的宽长比相等，所述电感L1和电感L2大小相等。
8.根据权利要求1至7任一项所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述负载级电路(5)包括电容C3、电容C4、电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端接入电源电压VDD，另一端与开关级电路(4)连接；所述电容C3与所述电阻R1并联；所述电阻R2的一端接入电源电压VDD，另一端与开关级电路(4)连接；所述电容C4与所述电阻R2并联。
9.根据权利要求8所述一种高线性度高增益的有源混频器,其特征在于:所述开关级电路(4)包括晶体管M3、晶体管M4、晶体管M5和晶体管M6，所述晶体管M3和晶体管M6的栅极均接入本振信号LO+，所述晶体管M4和晶体管M5的栅极相连接入本振信号LO-，所述晶体管M3的源极与所述晶体管M4的源极相连，并与所述晶体管M1的漏极连接；所述晶体管M5的源极与所述晶体管M6的源极相连，并与所述晶体管M2的漏极连接；所述晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极相连，并与电阻R1连接；同时混频后的中频信号IF+经所述晶体管M3的漏极和晶体管M5的漏极输出；所述晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极相连，并与电阻R2连接；同时混频后的中频信号IF-经所述晶体管M4的漏极和晶体管M6的漏极输出。
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| CN201621127104.XU CN206099903U (zh) | 2016-10-17 | 2016-10-17 | 一种高线性度高增益的有源混频器 |
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