DE3130330A1 - "uebertragschaltung" - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Obertragschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Anwendung
finden derartige Ubertragschaltungen beispielsweise in Ketten-Schnellübertragbildnern, die zum Weitergeben
von Übertragsignalen in binären Paralleladdierern verwendet werden.
Ketten-Schnellübertragbildner (ripple-carry generating circuits) mit mehreren kaskadierten Stufen, von denen jede
ein Übertragungsglied zum Steuern der Fortpflanzung eines Übertragsignals durch die Stufe aufweist, weisen
bekanntermaßen den Vorteil rascher Übertrag-Fortpflanzung, einfacher Schaltungstopologie und kompakten Layouts in einer integrierten Schaltung auf. Typischerweise
besitzt jede Stufe einer Ketten-Übertragschaltung einen Eingangsanschluß zum Empfangen eines Eingangs-Übertragsignals,
einen Ausgangsanschluß zum Bereitstellen eines Ausgangs-Übertragsignals, ein Übertragungsglied,
dessen Leitungspfad in Serie zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluß liegt, einen getakteten Last-Transistor,
dessen Kanal zwischen den Ausgangsanschluß und
einen VDD-Versorgungsanschluß geschaltet ist, sowie eine
Übertragb.ildungs-Logikschaltung, die an den Ausgangsanschluß angeschlossen ist und auf ein Addenden- und
Augenden-Signal ansprichtr um das richtige Ausgangsübertragsignal
zu bilden.
Weil jede Stufe der Übertragschaltung einen Serienwiderstand und eine Parallelkapazität in den Übertrag-Fortpflanzungsweg
einfügt, nimmt die Fortpflanzungsverzögerung
eines durch eine mehrere Stufen aufweisende Übertragschaltung laufenden Übertragsignals mit der Anzahl
der Stufen rasch zu.
Da weiterhin die Übertrag-Fortpflanzung in einer dynamischen Übertragschaltung nur während eines festen aktiven
Intervalls erfolgt, kann ein Übertragsignal nach seiner Fortpfknzung durch einen langen Abschnitt der
Übertragschaltung so verzögert sein, daß seine Amplitude
nicht den endgültigen logischen Pegel vor dem Ende des aktiven Intervalls erreicht und somit gedämpft auftritt.
Somit verursacht eine extrem lange Fortpflanzungsverzögerung des Übertragsignals in einer dynamischen Übertragschaltung
das Problem der Übertragsignal-Dämpfung, wodurch sich Beschränkungen hinsichtlich des minimalen
aktiven Intervalls derartiger Schaltungen und hinsichtlich der maximalen Anzahl der Stufen in solchen Schal-
tungen ergeben.
Eine bisherige Lösung der Übertragsignal-Dämpfung in Ketten-Übertragschaltungen bestand darin, eine lange
Übertragschaltung in kurze Abschnitte zu unterteilen und zwischen diese Abschnitte einen Pufferverstärker
einzufügen, um den vollen logischen Pegel des Übertragsignals nach jedem Abschnitt wiederherzustellen.
Diese Lösung jedoch hat den Nachteil, daß jeder nichtinvertierende Pufferverstärker etwa 2 Gatterlaufzeiten
zu der Übertragsignal-Fortpflanzungszeit durch die Übertragschaltung hinzufügt, und daß die Pufferverstärker
selbst eine wesentliche Quelle für übertragsignal-% ;
Fortpflanzungsverzögerungen bilden. Weiterhin erhöht das Hinzufügen von Pufferverstärkern zu einer Ubertragschaltung
die Layout-Fläche bei Ausbildung als integrierte Schaltung, und folglich erhöhen sich die Herstellungskosten
einer derartigen integrierten Schaltung, Es besteht demnach ein Bedürfnis an einer Lösung des
Übertragsignal-Dämpfungsproblems in Ketten-Schnellübertragbildnern, um die oben aufgezeigten Nachteile zu
vermeiden, indem eine kürzere Übertragsignal-Laufzeitverzögerung
ermöglicht wird und bei Ausbildung als integrierte Schaltung ein kompakteres Layout möglich
ist.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Übertragschaltung der eingangs angesprochenen Art so
weiterzubilden, daß die Laufzeitverzögerung des tibertragsignals
verkürzt wird, bzw. das Layout der Schaltung kompakter ist, wenn die Schaltung als integrierte
Schaltung ausgelegt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines herkömmlichen typischen binären Paralleladdierers
mit einer Stufe eines Ketten-Schnellübertragbildners,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer bekannten Ketten-Übertragschaltung,
bei der Pufferverstärker zum
Wiederherstellen der logischen Pegel des Übertragsignals verwendet werden, und
Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts
eines binären Paralleladdierers mit einer Stufe eines Ketten-Schnellübertragbildners nach der
Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines binären Paralleladdierers
1000, der mittels Metäll-Oxid-Halbleiter-(MOS-)
Transistoren ausgelegt ist und zwei Antivalenz-Glieder
1001 und 1002 sowie eine Stufe 1003 eines Ketten-Schnellübertragbildners aufweist. Die Ubertragstufe 1003 enthält
einen Eingangsanschluß 1004, der ein negierte's
Übertrag-Eingangsbit C. empfängt, und einen Ausgangsanschluß 1005, der ein negiertes Übertrag-Ausgangsbit G .
abgibt, ein Übertragungsglied mit einem Transistor Qf,
dessen Kanal in Serie zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluß
liegt, einen getakteten Last-Transistor Q2, dessen Kanal zwischen einem VDD-Versorgungsanschluß
und dem Ausgangsanschluß liegt, und eine Übertraggeneratorschaltung
mit zwei Transistoren Q3 und Q4, deren
Kanäle in Serie zwischen dem Ausgangsanschluß und Masse liegen, aufweist.
Die Übertragschaltung wird durch ein an das Gate des Last-Transistors Q2 gelegtes Vorlade-Taktsignal φ
periodisch aktiviert und deaktiviert. Während des Inter-
valls, in dem das Signal φ einen logischen Pegel "1"
aufweist,, ist die Übertragschaltung nicht aktiv, und
der Transistor Q2 leitet, wodurch er den Ausgangsanschluß
1005 auf im wesentlichen VDD-Potential zieht. Während des Intervalls, in dem das Signal φ einen logischen
Pegel "0" aufweist, ist die Ubertragschaltung aktiv, und der Transistor Q2 ist ausgeschaltet, um den
Ausgangsanschluß von dem VDD-Versorgungsanschluß zu
trennen.
Während die Übertragschaltung aktiv ist, empfängt der Addierabschnitt das Äugenden- und Addenden-Bit A1 bzw.
A2, die dieselbe Wertigkeit aufweisen. Die Bits A1 und
A2 werden an die Gates der Transistoren Q3 und Q4 der
Übertraggeneratorschaltung gelegt. Sind Al und A2 beide
auf dem logischen Pegel "1", werden Q3 und QA in den leitenden Zustand gebracht, und der Ausgangsanschluß
wird auf Massepotential gehalten, der einem logischen Pegel "0" entspricht. Auf diese Weise führt die Übertraggeneratorschaltung
die logische NAND-Funktion mit den Bits A1 und A2 aus. Die Bits A1 und A2 werden außerdem
an das erste Antivalenz-Glied 1001 gelegt, das an dem Ausgangsknoten 1007 ein Partialsummen-Bit erzeugt. Das
Partialsummen-Bit gelangt dann zusammen mit dem von einem Negator 1006 invertierten Bit C. an das zweite
Antivalenz-Glied 1002, und der zweite Halbaddierer berechnet das Summenbit S.
Das Partialsummen-Bit 1007 wird durch einen weiteren
Negator 1008 invertiert und an das Gate des Übertragungsglied-Transistors Q1 gelegt. Hat das Partialsummen-Bit
einen logischen Pegel "0", wird Q1 leitend, so daß
das Bit C. am Eingangsanschluß der Stufe zum Ausgangsanschluß der Stufe durchläuft. Daher kann ein Bit C.
in
vom Eingangs- zum Ausgangsanschluß laufen, wenn die Bits A1 und A2 entgegengesetzte logische Zustände aufweisen;
unter diesen Bedingungen liefern das erste Antivalenzglied 1001 und der Negator 1008 einen logischen
Pegel "1" an das Gate von Q1.
Ein sich durch die Stufe der Übertragschaltung fortpflanzendes Übertragsignal trifft auf einen Serienwiderstand,
der vornehmlich aus dem Einschalt-Widerstand des Transistors Q1 und einer Parallelkapazität bezüglich
Erde, die vornehmlich gebildet wird durch die Gate-Kanal-Kapazität
von Q1, die Eingangskapazität des Negators 1006 und die dem Source und Drain von Q1 zugehörigen
Streukapazitäten, der Source von Q2 und dem Drain von Q3, besteht. Die Kombination aus Serienwiderstand und
Parallelkapazität in jeder Stufe bewirkt, daß die Verzögerung der Fortpflanzung des invertierten Übertragbits
durch die Übertragschaltung rasch mit der Anzahl der Stufen der Übertragschaltung ansteigt. Aufgrund
der Tatsache, daß die Übertragfortpflanzung nur während eines festen Intervalls erfolgen kann, während dessen
die Übertragschaltung aktiv ist, kann die Zeit, die das invertierte Übertragbit zum Durchlaufen vieler Stufen
der Übertragschaltung benötigt, die Zeitdauer des festen Intervalls überschreiten, und das invertierte
Übertragbit kann nach seiner Fortpflanzung durch diese
Stufen vor dem Ende der festen Zeitdauer möglicherweise nicht seinen vollen logischen Pegel erreichen=
Dies führt zu einer wirksamen Dämpfung des invertierten Übertragbits bei dessen Fortpflanzung, und bei langen
Übertragschaltungen kann der logische Pegel des invertierten Übertragsignals so geschwächt sein, daß er durch
den das invertierte Übertragbit empfangenden Addiererabschnitt nicht korrekt erfaßt werden kann. Daher ergibt
sich durch die Fortpflanzungsverzögerung des Übertragsignals eine unerwünschte Beschränkung hinsichtlich
des kleinsten aktiven Intervalls und der maximalen Anzahl von Stufen in einer Übertragschaltung.
Fig. 2 zeigt diese Verhältnisse anhand eines Blockdia-
gramms, welches einen bisherigen Losungsversuch des
Problems der Übertragsignaldämpfung in Ketten-Übertragschaltungen
darstellt. Die Blöcke 2001 bis 2005 stellen N Stufen einer Übertragschaltung dar, wobei
jede Stufe einen Aufbau wie die übertragstufe 1003 in Fig. 1 aufweist. Die Übertragschaltung unterteilt
sich in drei Stufen umfassende Abschnitte, und nach jedem Abschnitt ist ein nicht-invertierender Pufferverstärker
eingefügt, um das Übertragsignal auf dessen vollen logischen Pegel zurückzubringen und dadurch
die Probleme der übertragsignaldämpfung zu vermeiden. Der Pufferverstärker besteht typischerweise aus zwei
kaskadierten Negatoren, und er fügt daher eine Fortpflanzungsverzögerung
in die Schaltung ein, die derjenigen -von zwei logischen Verknüpfungsgliedern äquivalent
ist. Die minimale Verzögerung der gesamten Übertragschaltung erreicht man dadurch, daß man die Anzahl
der Stufen in jedem Abschnitt'so festlegt, daß die Verzögerung durch den Abschnitt etwa der Verzögerung
eines Pufferverstärkers entspricht. Auf diese
Weise tragen die Pufferverstärker in einer optimierten Schaltung etwa zur Hälfte der Verzögerung in einer
solchen Übertragschaltung bei.
Weiterhin erhöhen die Pufferverstärker die Layout-Fläche
in der Übertragschaltung, wenn diese als integrierte Schaltung ausgebildet wird. Die Erhöhung der
Fläche ergibt sich nicht nur aus den für die zusätzlichen Schaltungselemente der Pufferverstärker selbst
benötigten Flächen, sondern außerdem aus dem Verlust an Einfachheit des Layouts, die bedingt ist durch eine
Übertragschaltung mit identischen Stufen.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Abschnitts
3000 eines Paralleladdierers mit einer Stufe 3001 einer verbesserten Übertragschaltung. Entsprechende Bauteile
sind in den Fig. 1 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Addierabschnitt ist in N-Kanal-MOS-Technologie
mit Last-Transistoren vom Verarmungstyp ausgelegt. Die Antivalenzglieder 1001 und 1002 haben ebenso wie der
Negator 1008 bekannten Aufbau. Die Verbesserung der Übertragschaltung besteht darin, daß in jeder Stufe
ein Regeneriernetzwerk mit Transistoren Q10, Q11, Q12
und Q13 zum Wiederherstellen des logischen Pegels "0" eines C. -Bits auf den vollen Wert, der in diesem Fall
Massepotential entspricht, hinzugefügt ist. Aufgrund der Tatsache, daß der Eingangsanschluß jeder Stufe
durch den Last-Transistor der unmittelbar vorausgehenden Stufe vor der Aktivierung der Übertragschaltung im we-
sentlichen auf volles VDD-Potential hochgezogen wird,
benötigt der. logisch»
keine Regenerierung.
keine Regenerierung.
benötigt der.logische Pegel "1" eines Signals C.
Das Regeneriernetzwerk enthält ein NOR-Glied mit Transistoren Q1O, Q11 und Q13, die die Signale φ und C.
empfangen; die logische NOR-Funktion wird am Knoten A
und dem Gate von Q12 ausgeführt. Das NOR-Glied liefert
außerdem das komplementierte C. -Bit an das zweite Antivalenzglied
1002. Wenn die Übertragschaltung inaktiv ist und das Signal φ einen logischen Pegel "1" aufweist,
gelangt Q11 in den leitenden Zustand und zieht den Knoten A auf Massepotential, während Q12 in den
nichtleitenden Zustand gelangt. Wenn die Übertragschaltung aktiv ist und das Signal φ einen logischen Pegel
"O" aufweist, während das Signal Q. einen logischen Pegel "1" hat, gelangt Q11 in den nicht-leitenden Zustand,
Q10 jedoch wird leitend. Unter diesen Bedingungen bleibt der Knoten A im wesentlichen auf Massepotential,
und Q12 bleibt nichtleitend. Wenn jedoch während der aktiven Phase der Übertragschaltung C. einen
ausreichend niedrigen Pegel annimmt, um das Leiten von Q10 herabzusetzen und Q13 zu gestatten, den Knoten A
auf einen Pegel zu ziehen, der ausreichend hoch ist,
Q12 leitend zu machen, wird der Eingangsanschluß 1004
von QI2 a"uf im wesentlichen Massepotential gezogen,
welches der untere Extremwert des logischen Pegels "0n
ist. Wenn folglich der Signalpegel am Eingangsanschluß unter den Schwellenwertpegel des NOR-Glied für den logischen
Pegel "O" abfällt, stellt das Regeneriernetzwerk
den Signalpegel auf im wesentlichen Massepotential zurück. Der Schwellenwertpegel für die logische "0" des
NOR-Glieds bestimmt sich durch das Verhältnis der Querleitfähigkeiten (ß) der Transistoren Q13 und Q10,
die so eingestellt werden können, daß der gewünschte Schwellenwert für einen logischen Zustand "0" erreicht
wird.
Das Regeneriernetzwerk sorgt für ein Wiederherstellen
des Übertragsignals innerhalb einer Stufe, ohne daß entlang des Übertrag-Fortpflanzungspfades logische
Verknüpfungsglieder eingefügt werden. Eine zusätzliche Verzögerung ergibt sich lediglich durch das Ausmaß der
erhöhten Kapazität parallel zum Eingangsanschluß aus der Verbindung des Regeneriernetzwerks. Daher ist die
Übertragschaltung in der Lage, eine rascherer Übertrag-Fortpflanzungsgeschwindigkeit
zu liefern als Schaltungen mit Pufferverstärkern zum Wiederherstellen des Ubertragsignals.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält ein Regeneriernetzwerk in jeder
Stufe der Ubertragschaltung, um die Vorteile eines einfachen
Layouts zu erhalten, die sich dadurch ergeben, daß eine Ubertragschaltung identische Stufen aufweist.
In vielen Fällen ist es jedoch nicht notwendig, die Obertragsignal-Regenerierung
in sämtlichen Stufen vorzunehmen, um die Probleme der übertragsignaldämpfung zu
lösen; in manchen Fällen kann es aus dem Gesichtspunkt einer verringerten Anzahl von Schaltungselementen in
der Obertragschaltung wünschenswert sein, das Regeneriernetzwerk nur in so viel Stufen vorzusehen, wie es notwendig
ist, um die Dämpfung unter einem bestimmten Pegel zu halten. Für gewöhnlich wird die für ein Regeneriernetzwerk
benötigte zusätzliche Layout-Fläche in jeder Stufe mehr als wettgemacht durch die Layout-Flächeneinsparungen,
die man dadurch erhält, daß eine Übertragschaltung mit identischen Stufen ausgebildet wird.
In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, mehr als ein übertragungsglied in jeder Stufe einer Obertragschaltung
vorzusehen, wobei jedes übertragungsglied mit seinem Leitungspfad in Serie zwischen dem Eingangs- und
Ausgangsanschluß der Übertragschaltung liegt.
Wenngleich das beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung vorsieht, daß das Übertragsignal durch ein invertiertes (C-) Übertragbit weitergegeben
wird, so ist für den Fachmann klar, daß die Ausgestaltung der Schaltung gemäß der Erfindung durch geeignete
Modifikationen der oben beschriebenen Schaltung so vorgenommen
werden kann, daß ein nicht-invertiertes Übertragbit verwendet wird. In einem solchen Fall wird das
Regeneriernetzwerk so modifiziert, daß ein abgeschwächter logischer Pegel "1" im wesentlichen auf VDD-Potential
zurückgebracht wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebenen
Schaltungen auch in anderen Feldeffekttransistor-Technologien ausgelegt werden können, beispielsweise in
P-Kanal-MOS-(PMOS-)Technologie oder komplementärer MOS-(CMOS-)Technologie.
Leerseite
Claims (4)
- BLUMBACH · WESER BERGEN KRAMER ZWIRNER . HOFFMANNPATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADENPatentcortsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patenlconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme PatentconsullWestern Electric Company, IncorporatedNew York, N.Y., USA Preyman 1ÜbertragschaltungPatentansprüche, 1.) Übertragschaltung, mit mehreren Stufen mit jeweils einem Eingangsanschluß, einem Ausgangsanschluß, der außer bei der letzten Stufe an den Eingangsanschluß einer nachfolgenden Stufe angeschlossen ist, und einem übertragungsglied, dessen Leitungspfad zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschluß gekoppelt ist, einen Steueranschluß aufweist und an ein daran angelegtes Steuersignal anspricht, um einen relativ niedrigen Widerstand in dem Leitungspfad zu schaffen, dadurch gekennzeichnet , daß in wenigstens einer Stufe eine Regeneriereinrichtung (Q1O - Q13) vorgesehen ist, die auf ein an demMünchen: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dlpl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. . P. Bergen Prof. Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dlpl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.Eingangsanschluß (1004) anliegendes Übertragsignal anspricht,, um den Eingangsanschluß gesteuert auf einen ersten vorbestimmten Pegel einzustellen,,
- 2. Übertragschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Stufe eine an den Ausgangsanschluß (1005) gekoppelte Last (Q2) aufweist, die auf ein erstes Signal ($) anspricht, um den Äusgangsanschluß gesteuert auf einen zweiten vorbestimmten Pegel einzustellen, der repräsentativ für einen ersten logischen Zustand ist, daß an den Äusgangsanschluß eine erste Logikeinrichtung (Q
- 3, Q4) angeschlossen ist, die auf zweite und dritte Signale (A1 r A2) anspricht, um am Äusgangsanschluß einen Pegel einzustellen, der repräsentativ ist für einen zweiten logischen Zustand, wenn das zweite und dritte Signal beide den ersten logischen Zustand wiedergeben, daß an den Steueranschluß des Übertragungsgliedes (Q1) eine zweite Logikeinrichtung (1001, 1008) angeschlossen ist, die auf das zweite und dritte Signal anspricht, um das Steuersignal mit dem ersten logischen Zustand zu liefern,* %?enn das zweite und dritte Signal Pegel aufweisen, die entgegengesetzte logische Zustände repräsentieren, daß die oder jede Regeneriereinrichtung einedritte Logikeinrichtung (Q1O, Q11, Q13) aufweist, die auf das erste Signal und den Pegel am Eingangsanschluß anspricht, um einen für den ersten logischen Zustand repräsentativen Pegel bereitzustellen, wenn der Pegel des ersten Signals und der Pegel am Eingangsanschluß beide für den zweiten logischen Zustand repräsentativ sind, und daß eine Schaltanordnung (Q12) vorgesehen ist, die auf den für den ersten logischen Zustand repräsentativen Pegel, der durch die dritte Logikeinrichtung geschaffen wird, anspricht,, um den Eingangsanschluß an einen ersten Versorgungsanschluß anzukoppeln, wobei der erste Versorgungsanschluß bei dem für den zweiten logischen Zustand repräsentativen ersten vorbestimmten Pegel ein Vorspannungspotential empfängt.ο Übertragschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Logikeinrichtung Mittel aufweist zum Liefern einer NAND-Funktion an dem Ausgangsanschluß, daß die zweite Logikeinrichtung eine Antivalenz-Funktion am Steueranschluß des Übertragungsgliedes liefert, und daß die dritte Logikeinrichtung eine NOR-Funktion an der Schaltanordnung liefert«130330
- 4. Übertragschaltung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η ·η ζ e i c h η e t „ daß in jeder Stufe ein zweiter Versorgungsanschluß zum Empfangen eines zweiten Vorspannungspotentials mit dem zweiten vorbestimmten Pegel vorgesehen ist, daß die Last einen ersten Feldeffekttransistor eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Leitungskanal zwischen den zweiten Versorgungsanschluß und den Äusgangsanschluß gekoppelt ist, daß die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors das erste Signal empfängt, daß das Übertragungsglied einen zweiten Feldeffekttransistor des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Kanal zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschluß geschaltet ist und dessen Gate-Elektrode an die Mittel zum Liefern der Antivalenz-Funktion gekoppelt ist, und daß die oder jede Schaltanordnung einen dritten Feldeffekttransistor des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, dessen Kanal zwischen'den Eingangsanschluß und den ersten Versorgungsanschluß gekoppelt ist, und dessen Gate-Elektrode an die Einrichtung zum Bereitstellen der NOR-Funktion gekoppelt ist.
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