DE2919970A1 - Schieberegister - Google Patents

Description

"Schieberegister"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schieberegister und insbesondere auf ein integriertes Schieberegister niedrigen Leistungsverbrauchs. Ein solches Register eignet sich insbesondere, wenn
dies auch nicht sein einziges Anwendungsgebiet ist, für die Verwendung in einer Frequenzteilerschaltung, die in tragbaren elektronischen Geräten mit kleinen Abmessungen eingesetzt werden,
welche von einer Batterie gespeist werden, mittels der die
Leitungsversorgung des Gerätes sichergestellt werden soll, und
zwar über mehrere Jahre. Bekanntlich stellt sich das Problem des Energie-Verbrauchs mit besonderer Schärfe, wenn die zu teilende
Frequenz hoch ist, etwa mehrere MHz, wie dies beispielsweise für Uhren mit hoher Ganggenauigkeit der Fall ist.

Um den Energieverbrauch von Frequenzteilern zu senken, wurden Anstrengungen unter Verwendung von integrierten C-MOS-Binärkreisen unternommen. Es sind dies Schaltkreise, mit denen gegenwärtig der größte Teil der Quarz-Uhren ausgestattet ist. In diesem Fall wird der Stromverbrauch im wesentlichen bestimmt durch das Laden und Entladen von Kapazitäten, welche jeweils eine Stufe des Schieberegisters bilden und dies mit der Periodizität des Registerausgangsignals. Der Verbrauch jeder Stufe ist demgemäß proportional der Größe seiner Kapazität und der Frequenz des Ausgangsignals.

Für eine Quarz-Uhr hoher Frequenz sind es demgemäß die ersten Stufen, d.h. diejenigen, welche die höchsten Frequenzen zu teilen haben, die bestimmend sind für den Stromverbrauch der Elektronik-Schaltkreise. Um die Kapazitäten dieser Stufen zu verringern, hat man verschiedene Herstellungstechniken eingesetzt, wie sie unter den Bezeichnungen Si-Gate oder SOS bekannt sind. Um jedoch den Stromverbrauch in akzeptablen Grenzen zu halten, ist es erforderlich, daß die Abmessungen der integrieten Schaltkreise bis zu einem Punkt verringert werden, bei dem mit den gegenwärtigen Fertigungstechniken die Herstellungskosten prohibitiv hoch werden.

Um den Leistungsverbrauch zu senken, wurden auch Teiler für hohe Frequenzen vorgeschlagen, bei denen ein großer Teil der Kapazitäten einen Abschnitt eines Resonanzkreises bildet. Ein System dieses Typs ist beispielsweise in der CH-PS 558 111 beschrieben. In diesem Fall wird die periodisch in den Kapazitäten gespeicherte Energie wiedergewonnen. Das System macht Gebrauch von einem an sich bekannten Schieberegister, das in integrierter Form realisiert wird und die Bezeichnung "IGFET bucket brigade" trägt. Dieses Register ist in Ringform geschaltet, und ein einziges Ladungspaket wird von einem Kettenglied zum anderen übertragen. Jedes Kettenglied umfaßt einerseits zwei FELD-Effekt-Transistoren mit isolierter Elektrode, die in Serie geschaltet sind, und andererseits zwei Kondensatoren, die jeweils zwischen die Steuer- oder Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode des Transistors geschaltet sind. Die Steuerelektroden sind alternierend an zwei Leitungen angeschlossen, die von einem symmetrisch arbeitenden Quarz-Oszillator gespeist werden, welcher zwei gegenphasige Wechselspannungen liefert. Ferner sind Mittel vorgesehen, um das Kristallsubstrat,in das die Schaltkreise integriert sind, zu polarisieren. Die Gesamtheit der Kettenglieder des Registers bietet eine geringe Belastung für den Oszillator, und der Wirkstrom infolge dieser Kapazität bewirkt einen sehr geringen Verlust im Quarz. Die Hauptwirkleistung, die vom Oszillator geliefert werden muß, ist diejenige, die im Transistor umgesetzt wird, mittels dem der Transfer der Ladung von einem Halbkettenglied zum anderen erfolgt.

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Die Funktionsweise des insoweit beschriebenen Schieberegisters ist im einzelnen in der Veröffentlichung CN. Berglund und anderen unter dem Titel "Fabrication and Performance Considerations of Charge-Transfer Dynamic Shift Registers", Bell Syst. Techn. Journal, Band 51, Nr. 3, März. 1972, beschrieben. Sie beruht darauf, daß der Strom den Transistor während etwa einer Viertelperiode durchfließt, und die Spannung source/ drain desselben während dieser Zeit praktisch den Wert V=O annimmt wobei V der Spitze-Spitze-Spannungswert der Speisespannung der vom Oszillator gelieferten Phase ist. Daraus ergibt

sich, daß die vom Oszillator abzugebende Leistung durch die fοίο gende allgemeine Beziehung ausgedrückt werden kann: P==/

T/2
^ i_D (t)*v_SD (t) dt, worin i_D(t) bzw. v_gD(t) die jeweiligen

Augenblickswerte des Drain-Stromes und der Source/Drain-Spannung des Transistors sind, und da T-die Schwingungsperiode ist, ergibt sich: P_T = (V_p + V^)².C.f.

In dieser Gleichung bezeichnet C die dem Transistor zugeordnete Kapazität, f ist die Frequenz des Oszillators und ν repräsentiert die mittlere Steuerspannung, welche die Schwellspannung des Transistors übersteigt.

Die Spannung ν ist normalerweise einige zehntel Volt, während V einige Volt beträgt.

Wenn man ein typisches Beispiel mit den folgenden Werten nimmt: V_p = 2 V, ν =0,3 V, C = 0,1 ρ F, und f = 4,2 MHz, so erhält man für P einen Wert von 2,2

Wegen der hohen Spannung, die notwendig ist für die Ladungspaket-Übertragung von einem Kettenglied des Registers zum nächsten, ist demgemäß die vom Oszillator gelieferte Leistung relativ hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schieberegister mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen zu schaffen, bei dem eine sehr niedrige Spannung für die Ladungsübertragung benötigt wird, so daß die Leistung erheblich verringert werden kann,welche dem Oszillator entnommen werden muß.

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Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1

Die Unteransprüche nennen weitere Merkmale, die zur Lösung der Aufgabe zweckmäßigerweise einsetzbar sind, wobei die Bedeutung der Merkmale im einzelnen und im Zusammenhang sich aus der nachfolgenden Erläuterung von Ausfuhrungsbeispielsen ergeben.

Wie sich dies im einzelnen noch aus der nachfolgenden Erläuterung ergeben wird, benötigt das in den Patentansprüchen gekennzeichnete Schieberegister eine sehr niedrige Spannung für die Ladungsübertragung von einem Kettenglied zum anderen. Auf diese Weise wird erheblich die Leistung abgesenkt, die von dem Oszillator entnommen wird, welcher die beiden gegenphasigen Signale liefert. Wie weiter unten noch verdeutlicht wird, eignen sich die Signale aus den verschiedenen Kettengliedern des Registers besonders für die Realisierung von Frequenzteilern mit sehr niedrigem Leistungsverbrauch.

Die weitere Erläuterung erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Schieberegister gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist das Äquivalenz-Schaltbild einer Halbkette des Registers aus Fig. 1 und

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Schieberegisters nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine MOS-Struktur dargestellt, bestehend aus einem Kristall-Substrat, beispielsweise vom p-Typ, in das 5 Zonen vom η-Typ integriert sind, die mit M¹, Z , Z , Z₁ , bzw. Z„ bezeichnet sind. Das ganze wird von einer Isolierschicht I überdeckt, die lokal oberhalb eines Teiles der Zonen M¹, Z , Z₁ und Z„ unterbrochen ist, um das Anbringen unmittelbar auf der betreffenden η-Zone von Kontakten m, a bzw. b zu ermöglichen.

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Die Isolierschicht I umfaßt ihrerseits eine bestimmte Anzahl von leitenden Belägen oder Elektroden, die mit k, k¹, k. , k' , k~, k'p bezeichnet sind und die sich hauptsächlich oberhalb der p-Zone erstrecken. Genauer gesagt erstreckt sich die Elektrode k zwischen den Enden der Zonen M¹ und Z , während die Elektrode k' sich vom Ende der Zone Z bis zum Beginn der Zone Z erstreckt, wo sie elektrisch mit dem Kontakt a verbunden ist, der bereits erwähnt wurde. Die Elektrode k. beginnt am Ende der Zone Z und endet im wesentlichen halbwegs zwischen Z und Z₁, so daß Platz bleibt für die Elektrode k'.. , die sich gerade bis zum Beginn der Zone Z erstreckt, wo sie elektrisch mit dem Kontakt a verbunden ist. Die Elektrode k. weist in ihrem Endbereich einen etwas erhöhten Abschnitt auf, der berührungsfrei den Anfangsabschnitt der Elektrode k' überdeckt, wobei eine Isolierschicht I sicherstellt, daß kein elektrischer Kontakt zwischen beiden Elektroden vorliegt. Die Elektroden kp-k'₂ sind zwischen den Zonen Z₁ und Z„ in gleicher Weise angeordnet, wie die Elektroden k₁ bzw. k¹...

Schließlich weist die Isolierschicht I leitende Beläge oder Elektroden c , c. und c„ auf, die sich oberhalb der Zonen Z , Z₁ bzw. Z„ befinden. Die Elektrode k ist diejenige, die dazu bestimmt ist, das Auslösesignal aufzunehmen, mittels dem ein neues Ladungspaket in das Register eingespeist wird. Diese Elektrode ist mit einer Eingangsklemme E verbunden.

Das Register wird gesteuert von einem symmetrischen Oszillator (nicht dargestellt), wie er beispielsweise in der CH-PS 580 837 beschrieben ist und an die beiden Leitungen X und Y zwei gegenphasige Sinus-Spannungen 0₁ (t) bzw. 0₂ (t) anlegt. Die Elektroden c , C₁ und c» sind alternierend an die Leitungen X und Y angeschlossen. Ferner polarisiert der Oszillator mittels eines Spannungsvervielfacher (nicht dargestellt) beispielsweise in der CH-PS 553 481 beschrieben, das Kristallsubstrat in negativem Sinne relativ zu einer Bezugsmasse M',■ und an eine diese Vorspannung führende Leitung .P sind die Elektroden m, k. und k₂ angeschlossen

Es ergibt sich demgemäß, daß der integrierte Schaltkreis gemäß Fig. 1 gebildet wird von einer Gesamtheit von Kondensatoren und MOS-Transistoren. Die Elektroden c_q, C₁ und C₂ bilden nämlich

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die Beläge von Kondensatoren C , C₁ bzw. C_, deren andere Beläge von den Zonen Z /Z₁ bzw. Z„ gebildet werden. Darüber hinaus

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bildet dieElektrode k.. die Steuerelektrode eines MOS-Transistors T , dessen Source-Elektrode von der Zone M¹ gebildet wird und dessen Drain-Elektrode von der Zone Z gebildet wird. Die Elektrode k¹ schließlich bildet die Gate-Elektrode eines MOS-Transistors T" , für den die Zone Z die Source-Elektrode bildet ο' ο

und die Zone Z die Drain-Elektrode. Dieser Transistor ist demoo

gemäß wegen der Verbindung zwischen k' und dem Kontakt a mit seiner Gate-Elektrode an seine Drain-Elektrode angeschlossen.

Was schließlich das Elektroden-Paar k.j-k¹.. betrifft, so ergibt sich, daß sie die Gate-Elektroden jeweils von Abschnitten T₁-T' einer Doppeltransistorstruktur sind, für die die Zone

Z dieSource-Elektrode und die Zone Z.. die Drain-Elektrode oo . 1

bilden. Der Transistor T¹.. ist wegen der Verbindung des Kontaktes a mit k¹.. mit seiner Gate-Elektrode an seine Drain-Elektrode angeschlossen. Genau dasselbe gilt für das Paar k^-k'^/ welche die Gate-Elektroden von Abschnitten T₃ bzw. T'„ einer Doppel-Transistor-Struktur bilden, deren Source bzw. Drain von den Zonen Z₁ bzw. Z„ gebildet sind. Die Zone Z₃ bildet gleichzeitig die Source Elektrode der folgenden Transistor-Struktur, die genau identisch mit den Strukturen T₁-T¹ bzw. T₃-T' ausgebildet ist und von der in Fig. 1 der Beginn der ersten Elektrode erkennbar ist, verbunden mit der Leitung P.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung faßt die Eingabestufe oder Auslösestufe mit dem ersten Kettenglied eines Schieberegisters zusammen. Die Eingabestufe wird von dem Kondensator C und den Transistoren T und T' gebildet, während das erste Ketten glied des Registers von den beiden identischen Halbkettengliedern in Serie gebildet wird, die ihrerseits von dem Kondensator C₁ und der Doppel-MOS-Transistor-Struktur T₁-T' für das erste und vom Kondensator C„ und der Doppel-MOS-Transistor-Struktur T₃-T' für das zweite gebildet wird.

Ein Schieberegister gemäß der Erfindung umfaßt demgemäß eine Mehrzahl von Kettengliedern, ähnlich dem nach Fig. 1, die anein-

s -¹ -

andergeschaltet sind, mit ihren Steuerelektroden angeschlossen an die Polarisations-Leitung P und mit ihren beiden Kondensatoren jeweils verbunden sind mit den Leitungen X für das erste Halbglied und Y für das zweite.

In Fig. 2 ist das Äquivalenz-Schaltbild für ein Halbkettenglied des Schieberegisters gemäß der Erfindung dargestellt. Dieses Register umfaßt demgemäß einen Kondensator C und eine Doppeltransistor-Struktur, deren beide Transistoren T bzw. T¹ Steuerelektroden k bzw. k¹ aufweisen. Diese Doppelstruktur ist in der Figur durch zwei Transistoren symbolisiert, die miteinander durch eine gestrichelte Linie verbunden sind, welche die gemeinsame Drain-Zone von T und Source-Zone von T¹ symbolisiert. Die

η η

Steuerelektrode oder Gate-Elektrode k von T ist mit der Polari-

n η

sationsleitung P verbunden, und ihr Source-Anschluß ist mit dem Ausgang des vorhergehenden Halbkettengliedes verbunden, gebildet von dem Drain-Anschluß des zweiten Transistors T¹ _Λ desselben.

n-1

Einer der Beläge des Kondensators C ist mit der Leitung X verbunden oder mit der Leitung Y, je nach-dem, ob das betreffende Halbkettenglied das erste oder das zweite der betrachteten Halbkette ist. Der andere Belag von C ist gleichzeitig mit dem Drain-Anschluß und dem Gate-Anschluß k' von T" verbunden.

η η

Der Ausgang des Halbkettengliedes, der an der Drain-Elektrode des Transistors T¹ liegt, ist mit dem Eingang des folgenden Halbkettengliedes verbunden, gebildet von dem Source-Anschluß von dessen erstem Transistor T +1.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 2 sowie das Erläuterungsdiagramm nach Fig. 3 wird nachstehend die Funktionsweise des Schieberegisters gemäß der Erfindung erläutert. Zur Vereinfachung sei angenommen, daß die Schwellenspannungen der MOS-Strukturen 0 sind. Der Kristall ist gegenüber Masse negativ polarisiert, und die beiden Leitungen X und Y werden von Sinus-Spannungen mit Gegenphase 0. (t) bzw. 0~(t) gespeist. Wenn demgemäß der Transistor T sperrt, erscheinen Sinus-Spannungen

ν und v, (mit einer Spitze-Spitze-Spannung V bzw. V, ) auf a Jd a Jd

den Zonen Z₁ bzw. Z„ an den Punkten a bzw. b. Die Form dieser beiden Spannungen ist im Diagramm nach Fig. 3 dargestellt.

2§1§97§

Wenn der Transistor T demgemäß zwischen den Zeitpunkten t und t₁ angesteuert wird, in dem an seine Gate-Elektrode k (Klemme E) ein Impuls angelegt wird, der herrührt von der Spannung 0_ (t) , gelangen Elektroden im Intervall t -t.. aus der Bezugszone M¹ in die Zone Z und von dort über den Tran-

sitor T¹ ,in die Zone Z . Der Kondensator C wird so auf den o' oo ο

Spitzenwert von 0~ (t) aufgeladen. Im Augenblick t^ ist demgemäß das Potential der Zone Z relativ zu M' parktisch gleich

Das Potential am Punkt a nimmt dann einen negativen Wert bezüglich M¹ an, und der Transistor T¹ wird gesperrt, da seine Gate - oder Steuerelektrode k¹ mit der Zone Z verbunden ist.

oo

Die Elektronen gelangen demgemäß zur Zone Z₁ über die MOS-Struktur T₁-T' und laden den Kondensator C₁ auf den Spitzenwert von 0₁(t) auf. Während der folgenden Halbperiode, d.h. zwischen den Zeitpunkten t„ und t,, wiederholt sich der gleiche Vorgang für den Übergang zwischen den Zonen Z₁ und Z„ durch die MOS-Struktur T„-T" für das Ladungspakte Q = C...0.. sofort. Wenn der Wert der Reaktanz 1/u C₁ = 1 /u C„ (wobei*/ die Kreisfrequenz des Oszillators ist) wesentlich größer ist als der Wert des Differenzwiderstandes, den die MOS-Struktur eines Halbkettengliedes aufweist, ist der Strom, den der Oszillator für den Transfer des Ladungspaketes liefern muß, im wesentlichen sinusförmig, und um nahezu 90 phasenverschoben relativ zu den Spannungen der Phasen 0 (t) und 0₂ (t). Die Spannung source-drain der MOS-Struktur, die in diesem Falle auch die betreffende Steuerspannung bildet, wird für diesen Transfer sehr klein. Die Leistung, die der Oszillator liefern muß, wird deshalb ebenfalls sehr klein.

Die Analyse zeigt, wenn man sich der gleichen Ausdrücke bedient wie sie oben für ein Schieberegister vom Typ "IGFET bucket brigade" verwendet wurden, daß die Leistung, die vom Oszillator für den Transfer des Ladungspaketes zu liefern ist, = P„ ist

= 1 ,8 V ν .Cf. ist.
ρ m

Wenn man die gleichen typischen Werte wie vorstehend einsetzt, erhält man eine Leistung von 0,45 μΜ. Diese Leistung war 2,2 μ,νΐ für das Register "IGFET bucket brigade". Man erkennt demgemäß, daß das Schieberegister gemäß der Erfindung

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eine erhebliche Leistungseinsparung zu realisieren gestattet.

Wie Fig. 3 zeigt, baut sich die Spannung ν auf dem Punkt

a zwischen den Zeitpunkt t.. und t„ während des Transfers der Ladung durch die MOS-Struktur T.-T' auf, dann zwischen den Zeitpunkt t„ und t.. während des Transfers durch T„-T' „ ist sie sehr klein relativ zur Spannung, die sich ergibt, wenn kein Transfer erfolgt. Das gleiche trifft für die Spannung v, am Punkt b zwischen den Zeitpunkt t» und t, zu, danach zwischen den t_ und t., wenn die Ladung von der folgenden MOS-Struktur durchlaufen wird. Wegen dieser Differenz bietet sich das Schieberegister gemäß der Erfindung besonders gut an für die Realisierung von Frequenzteilerschaltungen. Ein solcher Schaltkreis ist in einer Parallelanmeldung der Anmelderin gleichen Datums beschrieben und dargestellt.

Das Schieberegister gemäß der Erfindung kann mittels der Fertigungsmethode hergestellt werden, die unter der Bezeichnung Si-Gate bekannt ist. Man kann natürlich auch eine einfachere, unter der Bezeichnung Al-Gate bekannte Technik verwenden. In diesem zweiten Falle wird die Struktur eines Halbkettengliedes gebildet von 2 MOS-Transistoren in Serie. Wegen der Kapazität, die die schwimmende Verbindung aufweist, welche den Drain-Teil des ersten und Source-Teil des zweiten Transistors darstellt, wird jedoch die Güte des Registers gegebenenfalls etwa verringert, und dies besonders in dem Sinne, daß die Zahl der möglichen Kettenglieder kleiner ist als wenn die Struktur nach Fig. 1 verwendet wird. Dies beruht auf einem bestimmten Ladungsverlust bei dem Transfer von einem Kondensator zum anderen.

Daneben kann die Einspeisungsstufe des Registers anstatt aus 2 Serien geschalteten Transistoren zu bestehen, identisch mit einem Halbkettenglied des Registers sein und demgemäß nur 2 Zonen

M¹ und Z umfassen.
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Natürlich ist das insoweit beschriebene Schieberegister im Rahmen der Erfindung zahlreichen Abwandlungen zugängig.

Claims (5)

1. Patentansprüche

   1J Schieberegister mit einer Transistor/Kondensator-Schaltung, die in einem Halbleitersubstrat integriert ist und eine Mehrzahl von hinereinandergeschalteten Kettengliedern umfaßt, welche jeweils zwei identische Halbkettenglieder in Serienschaltung umfaßt, die jeweils von periodischen gegenphasigen Signalen ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Halbkettenglied umfaßt:

   eine MOS-Transistorstruktur mit zwei Hauptelektroden, welche den Eingang bzw. den Ausgang des Halbkettengliedes bilden, und mit zwei Steuerelektroden, von denen eine an eine Polarisationsquelle anschließbar ist und die andere an die Ausgangselektrode angeschlossen ist, und einen Kondensator, dessen einer Belag an die Ausgangselektrode angeschlossen ist und an dessen anderer Belag eines der periodischen Signale anlegbar ist.
2. 2. Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistorstruktur einen MOS-Transistor mit Doppelsteuerelektrode umfaßt.
3. 3. Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistorstruktur zwei in Serie geschaltete MOS-Transtoren umfaßt.

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4. 4) Schieberegister nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistorstruktur und der Kondensator eines Halbkettengliedes gebildet sind durch

   eine erste und eine zweite halbleitende Zone des Typs, der entgegengesetzt dem Typ des Substrats ist, in das sie integriert sind, eine erste isoliert angeordnete
   leitende Schicht, die über der ersten Zone beginnt und etwa halbwegs zwischen der ersten und der zweiten Zone endet,

   eine zweite isoliert angeordnete leitende Schicht, die etwa halbwegs zwischen der ersten und der zweiten Zone beginnt und über der zweiten Zone endet,
   eine dritte leitende Schicht in Kontakt mit der zweiten Zone und verbunden mit der zweiten leitenden Schicht, und eine vierte isoliert angeordnete leitende Schicht über der zweiten Zone,

   wobei die beiden halbleitenden Zonen die Hauptelektroden des MOS-Transistorstruktur bilden, deren Steuerelektroden von der ersten bzw. zweiten leitenden Schicht gebildet sind, und wobei die vierte leitende Schicht einen Belag des Kondensators bildet, dessen anderer Belag von der zweiten Zone gebildet ist.
5. 5) Schieberegister nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste halbleitende Zone zugleich die zweite halbleitende Zone des vorangehenden Halbkettengliedes bildet und die zweite halbleitende Zone zugleich die erste halbleitende Zone des nachfolgenden Kettengliedes bildet.

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