CN217506426U - 一种低压差线性稳压电路以及振荡信号产生系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压差线性稳压电路以及振荡信号产生系统，包括：低功耗开关单元(1)，在导通后基于电源电压V_DD输出低功耗电流(I_C)；导通稳压单元(2)，接入所述低功耗电流(I_C)实现导通，并在导通后产生与低功耗电流(I_C)无关的稳定低压(V_G)；电压转换开关单元(3)，将稳定低压(V_G)转换为所需的目标低压(V_LDO)输出；使能单元(4)；本实用新型的低压差线性稳压电路可以直接利用电源电压V_DD产生与电源电压V_DD无关的低压，在不增加面积前提下，不需要基准电压即可产生振荡器所需的低压，而且基于此低压获得振荡信号的方式相比于通过传统方式而言，产生的功耗更低。

Description

一种低压差线性稳压电路以及振荡信号产生系统

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种低压差线性稳压电路以及振荡信号产生系统。

背景技术

传统的振荡器如图1所示，由六阶反相器、RC结构、施密特触发器组成，反相器和施密特触发器各提供一个180°的直流相移，因此总共是构成了一个七级反向的环形振荡器。其中的RC结构起到增加延时减小频率的作用，施密特触发器则用来实现脉冲整形。该振荡器的振荡周期Tsosc＝K*RC+Tdelay，其中K是与施密特触发器阈值相关的比例系数，Tdelay为反相器的delay时间。K值和Tdelay与反相器、施密特触发器的供电电压具有极大的相关性。

MCU的一般工作电压在2.0V-5.5V，为了获得与电压无关的振荡信号，传统的振荡信号产生系统是让振荡器在LDO(低压差线性稳压)下工作，为保证LDO正常工作，LDO电压低于2.0V，LDO工作需要带隙基准电路提供基准电压Vref。如图2所示，传统振荡信号产生系统中，带隙基准电路利用供电电压V_DD产生基准电压Vref，低压差线性稳压电路再利用基准电压Vref来产生电压V_LDO，电压V_LDO给振荡器供电，进而产生电压特性良好的振荡信号。

一般电压Vref为带隙基准电压，大约是1.2V。LDO电压为1.8V。由于振荡信号一般应用在低功耗的场合，传统的方式需要考虑带隙基准电路、低压差线性稳压电路带来的额外功耗。图3给出了传统的低压差线性稳压电路的结构示意图，从图3中可以得到：

可见，V_LDO与V_DD无关。这种传统的振荡信号产生系统需要图2中的带隙基准电路、低压差线性稳压电路和振荡器三者均处于工作状态，其总电流I＝I_BG+I_LDO+I_SOSC，I_LDO包括了电阻串的电流和比较器OP的电流，因此传统振荡信号产生系统的整体功耗较大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述功耗较大的缺陷，提供一种低压差线性稳压电路以及振荡信号产生系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，构造一种低压差线性稳压电路，包括：

低功耗开关单元，其输入连接电源电压V_DD，用于在导通后基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流；

导通稳压单元，其输入连接所述低功耗开关单元的输出，其输出接地，用于接入所述低功耗电流实现导通，并在导通后产生与所述低功耗电流无关的稳定低压；

电压转换开关单元，与所述导通稳压单元连接，用于将所述稳定低压转换为所需的目标低压输出；

使能单元，用于接收使能信号后驱动所述低功耗开关单元和电压转换开关单元导通。

优选地，所述低功耗开关单元包括：

低功耗旁路，连接于所述电源电压V_DD和所述导通稳压单元之间，落后于所述电压转换开关单元之后导通，用于在导通后基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流；

快速导通旁路，与所述低功耗旁路并联，且所述快速导通旁路的等效电阻小于所述低功耗旁路的等效电阻，所述快速导通旁路与所述电压转换开关单元同步导通并在所述低功耗旁路导通时关断，所述快速导通旁路在导通时替代所述低功耗旁路实现基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流。

优选地，所述快速导通旁路包括第一MOS管和第一电阻，所述第一MOS管的输入连接所述电源电压V_DD，所述第一MOS管的输出连接所述第一电阻第一端，所述第一电阻的第二端连接所述导通稳压单元的输入，所述第一MOS管的控制端连接所述使能单元。

优选地，所述低功耗旁路包括第二MOS管和第二电阻，所述第二MOS管的输入连接所述电源电压V_DD，所述第二MOS管的输出连接所述第二电阻第一端，所述第二电阻的第二端连接所述导通稳压单元的输入，所述第二MOS管的控制端连接所述使能单元，所述第二电阻的阻值大于所述第一电阻的阻值。

优选地，所述电压转换开关单元包括第三MOS管、第四MOS管和电容，所述第三MOS管的输入连接所述电源电压V_DD，所述第三MOS管的输出连接所述第四MOS管的输入，所述第四MOS管的输出连接所述电容的第一端，所述电容的第二端接地，所述电容的第一端提供所需的目标低压，所述第三MOS管的控制端连接所述使能单元，第四MOS管的控制端连接至所述低功耗开关单元的输出和所述导通稳压单元的输入之间。

优选地，所述使能单元包括与非门和依次串接的K个反相器，第一个反相器的输入用于接入使能信号，第M个反相器的输出控制所述电压转换开关单元，第N个反相器的输出控制所述低功耗旁路，所述与非门的第一个输入与第一个反相器的输入共接，所述与非门的第二个输入与第N个反相器的输出连接，所述与非门的输出控制所述快速导通旁路，K为正整数，M、N均为大于等于1且小于等于K的奇数，且M小于N。

优选地，所述导通稳压单元包括依次串接的多个二极管；或者，所述导通稳压单元依次串接的多个二极管接法的三极管。

二方面，构造一种低压差线性稳压电路，包括第一MOS管、第一电阻、第二MOS管、第二电阻、第三MOS管、第四MOS管、电容、与非门、依次串接的K个反相器、依次串接的多个二极管或者依次串接的多个二极管接法的三极管，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管为PMOS管，所述第四MOS管为NMOS管；

所述第一MOS管的输入连接所述电源电压VDD，所述第一MOS管的输出连接所述第一电阻第一端，所述第二MOS管的输入连接所述电源电压V_DD，所述第二MOS管的输出连接所述第二电阻第一端，所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第二端共接后经由依次串接的多个所述二极管或者依次串接的多个所述二极管接法的三极管接地，所述第三MOS管的输入连接所述电源电压V_DD，所述第三MOS管的输出连接所述第四MOS管的输入，所述第四MOS管的输出连接所述电容的第一端，第四MOS管的控制端连接至所述第一电阻的第二端以及所述第二电阻的第二端的共接点，所述电容的第二端接地，所述电容的第一端提供所需的目标低压；

第一个反相器的输入用于接入使能信号，第M个反相器的输出控制所述第三MOS管，第N个反相器的输出控制所述第二MOS管，所述与非门的第一个输入与第一个反相器的输入共接，所述与非门的第二个输入与第N个反相器的输出连接，所述与非门的输出控制所述第一MOS管，K为正整数，M、N均为大于等于1且小于等于K的奇数，且M小于N。

优选地，所述第四MOS管为本征NMOS管，所述三极管为NPN型三极管，M为1，N为5。

三方面，构造一种振荡信号产生系统，包括振荡器和如前任一项所述的低压差线性稳压电路，所述振荡器的供电电压取自所述低压差线性稳压电路输出的所述目标低压。

本实用新型的低压差线性稳压电路以及振荡信号产生系统，具有以下有益效果：本实用新型的低压差线性稳压电路可以直接利用电源电压V_DD产生与电源电压V_DD无关的低压，在不增加面积前提下，不需要基准电压即可产生振荡器所需的低压，而且基于此低压获得振荡信号的方式相比于通过传统方式而言，因为低压差线性稳压电路不依赖于参考电压Vref，所以产生的功耗更低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是传统振荡器的结构示意图；

图2是传统振荡信号产生系统的结构示意图；

图3是传统的低压差线性稳压电路的结构示意图；

图4是本实用新型低压差线性稳压电路的结构示意图；

图5是本实用新型低压差线性稳压电路的一个较佳实施例的结构示意图；

图6是二极管的I-V特性曲线。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的典型实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。应当理解本实用新型实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本实用新型实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参考图4，本实用新型的低压差线性稳压电路，可应用于MCU，该低压差线性稳压电路直接基于电源电压V_DD产生所需要的稳定低压V_LDO，其主要包括：

低功耗开关单元1，其输入连接电源电压V_DD，用于在导通后基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流I_C；

导通稳压单元2，其输入连接所述低功耗开关单元1的输出，其输出接地，用于接入所述低功耗电流I_C实现导通，并在导通后产生与所述低功耗电流I_C无关的稳定低压V_G，与低功耗电流I_C无关即与电源电压V_DD无关；

电压转换开关单元3，与所述导通稳压单元2连接，用于将所述稳定低压V_G转换为所需的目标低压V_LDO输出；

使能单元4，用于接收使能信号后驱动所述低功耗开关单元1和电压转换开关单元3导通。

优选地，为了使SOSC可以快速启动，防止SOSC起振失败，所述低功耗开关单元1包括：

低功耗旁路102，连接于所述电源电压V_DD和所述导通稳压单元2之间，落后于所述电压转换开关单元3之后导通，用于在导通后基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流I_C；

快速导通旁路101，与所述低功耗旁路102并联，且所述快速导通旁路101的等效电阻小于所述低功耗旁路102的等效电阻，所述快速导通旁路101与所述电压转换开关单元3同步导通并在所述低功耗旁路102导通时关断，所述快速导通旁路101在导通时替代所述低功耗旁路102实现基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流I_C。

参考图5，所述导通稳压单元2依次串接的多个二极管接法的三极管，在其他实施例中，所述导通稳压单元2也可以是由依次串接的多个二极管构成。三极管的数量根据所需输出的目标低压V_LDO决定，本实施例中具体是包括三个三极管Q1、Q2、Q3，第一个三极管Q1与低功耗开关单元1连接，最后一个三极管Q3的输出接地。

具体的，所述快速导通旁路101包括第一MOS管M1和第一电阻R1，所述低功耗旁路102包括第二MOS管M2和第二电阻R2，所述第二电阻R2的阻值大于所述第一电阻R1的阻值。所述第一MOS管M1的输入连接所述电源电压V_DD，所述第一MOS管M1的输出连接所述第一电阻R1第一端，所述第二MOS管M2的输入连接所述电源电压V_DD，所述第二MOS管M2的输出连接所述第二电阻R2第一端，所述第一电阻R1的第二端和所述第二电阻R2的第二端共接后连接所述导通稳压单元2的输入，具体是连接第一个三极管Q1的输入，第一MOS管M1、第二MOS管M2的控制端分别连接所述使能单元4。

所述电压转换开关单元3包括第三MOS管M3、第四MOS管MN和电容C，所述第三MOS管M3的输入连接所述电源电压V_DD，所述第三MOS管M3的输出连接所述第四MOS管MN的输入，所述第四MOS管MN的输出连接所述电容C的第一端，所述电容C的第二端接地，所述电容C的第一端提供所需的目标低压V_LDO，所述第三MOS管M3控制端连接所述使能单元4。第四MOS管MN的控制端连接至所述低功耗开关单元1的输出和所述导通稳压单元2的输入之间，具体是连接至所述第一电阻R1的第二端以及所述第二电阻R2的第二端的共接点，也就是第一个三极管Q1的输入。

本实施例中，第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3为PMOS管，所述第四MOS管MN为NMOS管，优选为本征NMOS管。所述三极管Q1、Q2、Q3为NPN型三极管。

所述使能单元4包括与非门和依次串接的K个反相器，第一个反相器的输入用于接入使能信号。第M个反相器的输出控制所述电压转换开关单元3，具体是控制所述第三MOS管M3，即第M个反相器的输出连接至所述第三MOS管M3的控制端；第N个反相器的输出控制所述低功耗旁路102，具体是控制所述第二MOS管M2，即第N个反相器的输出连接至所述第二MOS管M2的控制端；所述与非门的第一个输入与第一个反相器的输入共接，所述与非门的第二个输入与第N个反相器的输出连接，所述与非门的输出控制所述快速导通旁路101，具体是控制所述第一MOS管M1，即所述与非门的输出连接至所述第一MOS管M1的控制端。

其中，K为正整数，M、N均为大于等于1且小于等于K的奇数，且M小于N。本实施例中，M为1，N为5，K是大于等于5的正整数，具体根据低压差线性稳压电路所服务的其他电路决定。

基于同一构思，本实用新型还要求保护一种振荡信号产生系统，包括振荡器和如前所述的低压差线性稳压电路，所述振荡器的供电电压取自所述低压差线性稳压电路输出的所述目标低压V_LDO。比如参考图5，所述电容C的第一端通过一个开关S3对外提供目标低V_LDO压，振荡器即是通过此开关S3取目标低压V_LDO。此系统的总电流来自低压差线性稳压电路和振荡器两部分，相较于传统电路的优点是不需要额外的带隙基准电路来提供Vref，减小了一个模块的电流使得总的功耗减小，可以获得功耗更低的SOSC。

下面结合图5和图6，说明本实用新型实施例的工作原理：

EN1是低压差线性稳压电路的使能信号，只要低压差线性稳压电路在工作EN1就一直为1，反之，EN1为0则意味着低压差线性稳压电路没有工作。

当EN1是0时，第一个反相器的输出ENB1是1，第5个反相器的输出ENB2是1，与非门的输出是1，因此M1、M2、M3都是关断的。

当EN1由0变为1时，第一个反相器的输出ENB1紧跟着翻转，而第5个反相器的输出ENB2由于需要经过多个反相器延时，此时仍然为1，与非门的输入ENB2、EN1都是1，因此与非门的输出ENB3是和ENB1同步翻转，即ENB1、ENB3同步从1变为0。因此，ENB3控制的开关M1和R1构成的快速导通旁路101导通，ENB2控制的M2和R2构成的低功耗旁路102还是断开的，电流从M1和R1构成的快速导通旁路101流过后再流经Q1、Q2、Q3到地，因为R1是一个比较小的电阻，所以快速导通旁路101导通时电流很大，可以使电路很快建立，从而达到快启动的目的，使SOSC可以快速启动，防止SOSC起振失败。当反相器延时过后，ENB2才翻转为0，因此开关M2导通，而且ENB2翻转导致ENB3翻转为1，所以开关M1关断，SOSC正常工作。R2相比于R1是一个阻值更大的大电阻，因为R2的阻值很大所以电路电流很小因而功耗很低。R1和R可以用能够充当电阻的器件代替(如MOS管)，但可能引入电阻随温度变化较大等其他问题。

图5中Q1、Q2、Q3为二极管接法的NPN型BJT，其基极发射极电压为Vbe。MN为本征nmos，其阈值电压Vt，MN＝0V。因而有VG＝3Vbe，V_LDO＝VG-Vt，MN＝3Vbe。

其中，

(I_S为BJT的饱和电流，与V_DD无关)，VT是热电压，I_C与Vbe呈指数关系，I_C即所述低功耗电流，如图6所示，从图中可以看出I_C的变化并不会使Vbe显著变化，所以VG随V_DD的变化幅度较小，从而可以得到一个随V_DD变化较小的V_LDO，V_LDO＝3Vbe＝3*0.6＝1.8V。

另外，M3是工作时导通，不工作时截止，可以降低功耗。MN将VG转换成V_LDO，因为Vbe是负温度系数的，MN的阈值电压Vt，MN也是负温度系数的，因此通过这样转换可以减小V_LDO的温度系数。

综上所述，本实用新型的低压差线性稳压电路以及振荡信号产生系统，具有以下有益效果：本实用新型的低压差线性稳压电路可以直接利用电源电压V_DD产生与电源电压V_DD无关的低压，在不增加面积前提下，不需要基准电压即可产生振荡器所需的低压，而且基于此低压获得振荡信号的方式相比于通过传统方式而言，因为低压差线性稳压电路不依赖于参考电压Vref，所以产生的功耗更低。

需要说明的是，词语“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种低压差线性稳压电路，可应用于MCU，其特征在于，包括：

低功耗开关单元(1)，其输入连接电源电压V_DD，用于在导通后基于所述电源电压V_DD输出与所述电源电压V_DD相关的低功耗电流(I_C)；

导通稳压单元(2)，其输入连接所述低功耗开关单元(1)的输出，其输出接地，用于接入所述低功耗电流(I_C)实现导通，并在导通后产生与所述低功耗电流(I_C)无关的稳定低压(V_G)；

电压转换开关单元(3)，与所述导通稳压单元(2)连接，用于将所述稳定低压(V_G)转换为所需的目标低压(V_LDO)输出；

使能单元(4)，用于接收使能信号后驱动所述低功耗开关单元(1)和电压转换开关单元(3)导通。

2.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于，所述低功耗开关单元(1)包括：

低功耗旁路(102)，连接于所述电源电压V_DD和所述导通稳压单元(2)之间，落后于所述电压转换开关单元(3)之后导通，用于在导通后基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流(I_C)；

快速导通旁路(101)，与所述低功耗旁路(102)并联，且所述快速导通旁路(101)的等效电阻小于所述低功耗旁路(102)的等效电阻，所述快速导通旁路(101)与所述电压转换开关单元(3)同步导通并在所述低功耗旁路(102)导通时关断，所述快速导通旁路(101)在导通时替代所述低功耗旁路(102)实现基于所述电源电压V_DD输出低功耗电流(I_C)。

3.根据权利要求2所述的低压差线性稳压电路，其特征在于，所述快速导通旁路(101)包括第一MOS管(M1)和第一电阻(R1)，所述第一MOS管(M1)的输入连接所述电源电压V_DD，所述第一MOS管(M1)的输出连接所述第一电阻(R1)第一端，所述第一电阻(R1)的第二端连接所述导通稳压单元(2)的输入，所述第一MOS管(M1)的控制端连接所述使能单元(4)。

4.根据权利要求3所述的低压差线性稳压电路，其特征在于，所述低功耗旁路(102)包括第二MOS管(M2)和第二电阻(R2)，所述第二MOS管(M2)的输入连接所述电源电压V_DD，所述第二MOS管(M2)的输出连接所述第二电阻(R2)第一端，所述第二电阻(R2)的第二端连接所述导通稳压单元(2)的输入，所述第二MOS管(M2)的控制端连接所述使能单元(4)，所述第二电阻(R2)的阻值大于所述第一电阻(R1)的阻值。

5.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于，所述电压转换开关单元(3)包括第三MOS管(M3)、第四MOS管(MN)和电容(C)，所述第三MOS管(M3)的输入连接所述电源电压V_DD，所述第三MOS管(M3)的输出连接所述第四MOS管(MN)的输入，所述第四MOS管(MN)的输出连接所述电容(C)的第一端，所述电容(C)的第二端接地，所述电容(C)的第一端提供所需的目标低压(V_LDO)，所述第三MOS管(M3)的控制端连接所述使能单元(4)，第四MOS管(MN)的控制端连接至所述低功耗开关单元(1)的输出和所述导通稳压单元(2)的输入之间。

6.根据权利要求2所述的低压差线性稳压电路，其特征在于，所述使能单元(4)包括与非门和依次串接的K个反相器，第一个反相器的输入用于接入使能信号，第M个反相器的输出控制所述电压转换开关单元(3)，第N个反相器的输出控制所述低功耗旁路(102)，所述与非门的第一个输入与第一个反相器的输入共接，所述与非门的第二个输入与第N个反相器的输出连接，所述与非门的输出控制所述快速导通旁路(101)，K为正整数，M、N均为大于等于1且小于等于K的奇数，且M小于N。

7.根据权利要求1所述的低压差线性稳压电路，其特征在于，所述导通稳压单元(2)包括依次串接的多个二极管；或者，所述导通稳压单元(2)依次串接的多个二极管接法的三极管。

8.一种低压差线性稳压电路，可应用于MCU，其特征在于，包括第一MOS管(M1)、第一电阻(R1)、第二MOS管(M2)、第二电阻(R2)、第三MOS管(M3)、第四MOS管(MN)、电容(C)、与非门、依次串接的K个反相器、依次串接的多个二极管或者依次串接的多个二极管接法的三极管(Q1、Q2、Q3)，第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第三MOS管(M3)为PMOS管，所述第四MOS管(MN)为NMOS管；

所述第一MOS管(M1)的输入连接电源电压V_DD，所述第一MOS管(M1)的输出连接所述第一电阻(R1)第一端，所述第二MOS管(M2)的输入连接所述电源电压V_DD，所述第二MOS管(M2)的输出连接所述第二电阻(R2)第一端，所述第一电阻(R1)的第二端、所述第二电阻(R2)的第二端共接后经由依次串接的多个所述二极管或者依次串接的多个所述二极管接法的三极管(Q1、Q2、Q3)接地，所述第三MOS管(M3)的输入连接所述电源电压V_DD，所述第三MOS管(M3)的输出连接所述第四MOS管(MN)的输入，所述第四MOS管(MN)的输出连接所述电容(C)的第一端，第四MOS管(MN)的控制端连接至所述第一电阻(R1)的第二端以及所述第二电阻(R2)的第二端的共接点，所述电容(C)的第二端接地，所述电容(C)的第一端提供所需的目标低压(V_LDO)；

第一个反相器的输入用于接入使能信号，第M个反相器的输出控制所述第三MOS管(M3)，第N个反相器的输出控制所述第二MOS管(M2)，所述与非门的第一个输入与第一个反相器的输入共接，所述与非门的第二个输入与第N个反相器的输出连接，所述与非门的输出控制所述第一MOS管(M1)，K为正整数，M、N均为大于等于1且小于等于K的奇数，且M小于N。

9.根据权利要求8所述的低压差线性稳压电路，其特征在于，所述第四MOS管(MN)为本征NMOS管，所述三极管(Q1、Q2、Q3)为NPN型三极管，M为1，N为5。

10.一种振荡信号产生系统，可应用于MCU，其特征在于，包括振荡器和如权利要求1-9任一项所述的低压差线性稳压电路，所述振荡器的供电电压取自所述低压差线性稳压电路输出的所述目标低压(V_LDO)。

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