JP2007096150A - Esd protection circuit - Google Patents
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Description
この発明は、半導体集積回路等に静電気放電(electrostatic discharge;以下ESDと記す)現象などによる電流が流れ込むことを防ぐESD保護回路に関するものである。 The present invention relates to an ESD protection circuit that prevents a current from flowing into a semiconductor integrated circuit or the like due to an electrostatic discharge (hereinafter referred to as ESD) phenomenon.
近年、半導体集積回路においてはトランジスタの世代が進むにつれて、ゲート絶縁膜が薄膜化され、半導体集積回路内に形成される内部回路の絶縁膜耐圧が低下している。さらに、素子の微細化により内部回路の動作電圧が低下している。その結果、ESDによる破壊モードが複雑化、多様化しており、より柔軟な動作特性を持つESD保護回路が求められている。 In recent years, in the semiconductor integrated circuit, as the generation of transistors progresses, the gate insulating film is made thinner, and the insulating film withstand voltage of the internal circuit formed in the semiconductor integrated circuit is lowered. Furthermore, the operating voltage of the internal circuit is lowered due to the miniaturization of the elements. As a result, ESD destruction modes are complicated and diversified, and an ESD protection circuit having more flexible operation characteristics is demanded.
一般に、ESD保護回路には、MOS電界効果トランジスタ(以下、MOSFETと記す)、またはバイポーラトランジスタ(BJT)、サイリスタ(SCR)などが広く用いられている。しかし、ESD保護回路を構成する素子単体では、ESD現象によりサージ電流が入力された場合において、その動作電圧は高く、また制御し難いため、微細デバイスを保護することは困難である。そこで、ESD保護回路を動作させるためのトリガ回路を備えたESD保護回路が提案されている。例えば、特許文献1、2には、その一例としてESD保護素子とトリガ素子を備えたESD保護装置が記載されている。これらの技術により、ESD保護装置の動作電圧を制御することが可能である。
In general, MOS field effect transistors (hereinafter referred to as MOSFETs), bipolar transistors (BJT), thyristors (SCR), or the like are widely used in ESD protection circuits. However, the single element constituting the ESD protection circuit has a high operating voltage and is difficult to control when a surge current is input due to an ESD phenomenon, and it is difficult to protect a fine device. Thus, an ESD protection circuit having a trigger circuit for operating the ESD protection circuit has been proposed. For example,
しかしながら、実際のESD現象により発生するサージ電流は多種多様である。絶縁膜耐圧はESD現象による電圧のパルス幅に依存し(例えば、非特許文献1参照)、内部回路の動作電圧はESD現象による電圧のパルスの立ち上がり時間に依存する(例えば、非特許文献2参照)。このため、従来のような単一のトリガ回路によるESD保護回路では、ESD現象による破壊から内部回路を保護することが困難になっている。
この発明は、多種多様なESD現象に適したESD保護動作が実現でき、ESD現象による破壊から内部回路を保護することができるESD保護回路を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an ESD protection circuit that can realize an ESD protection operation suitable for various ESD phenomena and can protect an internal circuit from destruction due to the ESD phenomenon.
この発明の第1の実施態様のESD保護回路は、第1のノードと第2のノードとの間に配置されたESD放電回路と、前記第1のノードと前記ESD放電回路との間に配置され、各々が異なる回路素子から構成された複数のトリガ回路とを具備し、前記トリガ回路は、前記ESD放電回路にトリガ電流を供給することを特徴とする。 An ESD protection circuit according to a first embodiment of the present invention includes an ESD discharge circuit disposed between a first node and a second node, and disposed between the first node and the ESD discharge circuit. And a plurality of trigger circuits each composed of different circuit elements, wherein the trigger circuit supplies a trigger current to the ESD discharge circuit.
この発明の第2の実施態様のESD保護回路は、第1のノードと第2のノードとの間に配置され、各々が異なる回路素子から構成された複数のESD放電回路と、前記第1のノードと前記ESD放電回路との間に配置されたトリガ回路とを具備し、前記トリガ回路は、前記ESD放電回路にトリガ電流を供給することを特徴とする。 An ESD protection circuit according to a second embodiment of the present invention includes a plurality of ESD discharge circuits arranged between a first node and a second node, each of which is composed of different circuit elements, And a trigger circuit disposed between the node and the ESD discharge circuit, wherein the trigger circuit supplies a trigger current to the ESD discharge circuit.
この発明の第3の実施態様のESD保護回路は、第1のノードと第2のノードとの間に配置され、各々が異なる回路素子から構成された複数のESD放電回路と、前記第1のノードと前記ESD放電回路との間に配置され、各々が異なる回路素子から構成された複数のトリガ回路とを具備し、前記トリガ回路は、前記ESD放電回路にトリガ電流を供給することを特徴とする。 An ESD protection circuit according to a third embodiment of the present invention includes a plurality of ESD discharge circuits that are arranged between a first node and a second node, each composed of different circuit elements, A plurality of trigger circuits which are arranged between a node and the ESD discharge circuit, each of which is composed of different circuit elements, wherein the trigger circuit supplies a trigger current to the ESD discharge circuit, To do.
この発明によれば、多種多様なESD現象に適したESD保護動作が実現でき、ESD現象による破壊から内部回路を保護することができるESD保護回路を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an ESD protection circuit capable of realizing an ESD protection operation suitable for various ESD phenomena and capable of protecting an internal circuit from destruction due to the ESD phenomenon.
以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings.
[第1実施形態]
まず、この発明の第1実施形態のESD保護回路について説明する。この第1実施形態では、1つのESD放電回路と2つのトリガ回路にてESD保護回路を構成した場合を示す。
[First Embodiment]
First, an ESD protection circuit according to a first embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, an ESD protection circuit is configured by one ESD discharge circuit and two trigger circuits.
図1は、第1実施形態のESD保護回路の構成を示す概略図である。このESD保護回路は、1つのESD放電回路11と2つのトリガ回路12A、12Bを備えている。第1のノードN1と第2のノードN2との間にはESD放電回路11が配置され、第1のノードN1とESD放電回路11との間にはトリガ回路12A、12Bが配置されている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the ESD protection circuit of the first embodiment. The ESD protection circuit includes one
図2に、第1実施形態のESD保護回路の回路構成の一例を示す。ここでは、ESD放電回路としてサイリスタを用い、トリガ回路としてNチャネルMOSトランジスタとダイオードを用いた場合を示している。第1のノードN1と第2のノードN2との間には、ESD放電回路11として、バイポーラトランジスタBT1、BT2から構成されたサイリスタ(SCR)が接続されている。詳述すると、バイポーラトランジスタBT1のエミッタは第1のノードN1に接続され、バイポーラトランジスタBT1のコレクタはバイポーラトランジスタBT2のベースに接続されている。さらに、バイポーラトランジスタBT1のベースはバイポーラトランジスタBT2のコレクタに接続され、バイポーラトランジスタBT2のエミッタは第2のノードN2に接続されている。
FIG. 2 shows an example of the circuit configuration of the ESD protection circuit of the first embodiment. Here, a case where a thyristor is used as the ESD discharge circuit and an N-channel MOS transistor and a diode are used as the trigger circuit is shown. A thyristor (SCR) composed of bipolar transistors BT1 and BT2 is connected as an
第1のノードN1と第2のノードN2との間には、トリガ回路12Aとして、直列接続されたダイオードD1、D2、D3、D4、及び抵抗R1が接続され、さらにトリガ回路12Bとして、NチャネルMOSトランジスタNT1、及び抵抗R2が接続されている。さらに、サイリスタを構成するバイポーラトランジスタBT2のベースは、ダイオードD4と抵抗R1の接続点、及びNチャネルMOSトランジスタNT1と抵抗R2の接続点に接続されている。
Between the first node N1 and the second node N2, diodes D1, D2, D3, D4 and a resistor R1 connected in series are connected as a
このような構成を有するESD保護回路において、第1のノードN1にサージ電流が印加された場合、トリガ回路12Aまたは12Bを通ってトリガ電流がESD放電回路11に流れる。これにより、ESD放電回路11を構成するサイリスタがオンして、サージ電流がサイリスタを介して第2のノードN2に流れ込む。このようにして、ESD現象などによって生じたサージ電流が内部回路に流れ込むのを防ぎ、内部回路が破壊されるのを防止する。
In the ESD protection circuit having such a configuration, when a surge current is applied to the first node N1, the trigger current flows to the
次に、ESD保護回路におけるトリガ回路の動作について説明する。ここで、内部回路はMOSFETを含むものとする。図3、図4に、内部回路の破壊電圧を示す。内部回路のMOSFETの熱破壊電圧は、図3に示すように、MOSFETのゲート絶縁膜の破壊電圧を超えていく。このため、内部回路のMOSFETにおける熱破壊電圧またはゲート絶縁膜の破壊電圧のうち、低い方の電圧が内部回路の破壊電圧となる。したがって、内部回路を保護するためには、図4に示した内部回路の破壊電圧より低い電圧でトリガ回路を動作させる必要がある。 Next, the operation of the trigger circuit in the ESD protection circuit will be described. Here, the internal circuit includes a MOSFET. 3 and 4 show the breakdown voltage of the internal circuit. As shown in FIG. 3, the thermal breakdown voltage of the MOSFET in the internal circuit exceeds the breakdown voltage of the gate insulating film of the MOSFET. For this reason, the lower voltage of the thermal breakdown voltage in the MOSFET of the internal circuit or the breakdown voltage of the gate insulating film becomes the breakdown voltage of the internal circuit. Therefore, in order to protect the internal circuit, it is necessary to operate the trigger circuit at a voltage lower than the breakdown voltage of the internal circuit shown in FIG.
図5は、MOSFETを用いたトリガ回路12Bの動作電圧を示している。この場合、トリガ回路12Bの動作電圧はサージ電流の立ち上がり時間に依存する。また、図6は、ダイオードを用いたトリガ回路12Aの動作電圧を示し、トリガ回路12Aの動作電圧はサージ電流の立ち上がり時間に依存しない。なお、トリガ回路の動作電圧を低くして、ESD保護回路の動作電圧を低くし過ぎると、リーク電流が増えてしまうため、過剰に低くすることはできない。したがって、MOSFETから構成されたトリガ回路12Bとダイオードから構成されたトリガ回路12Aを用いることにより、図7に示すように、トリガ回路の動作電圧を、内部回路の破壊電圧より低く、かつ破壊電圧に沿って変化するように設定する。これにより、内部回路を保護できると共に、リーク電流を最小限に抑えることができる。
FIG. 5 shows the operating voltage of the
この第1実施形態では、サージ電流の立ち上がり時間に依存するMOSFETを含むトリガ回路12Bと、サージ電流の立ち上がり時間に依存しないダイオードを含むトリガ回路12Aとを用いることにより、多種多様なESD現象、例えば立ち上がりや長さの異なるサージ電流に対応することが可能であり、ESD保護能力の高い保護回路が形成できる。例えば、チップ状態の半導体集積回路や、パッケージングしたLSIの搬送中では、取り扱う環境によっても異なるが、立ち上がりの速いサージ電流が印加される場合が多い(A)。また、チップ状態の半導体集積回路やパッケージングしたLSIを配線基板へマウントする工程では、立ち上がりの遅いサージ電流が印加される場合がある(B)。さらに、半導体集積回路の製造中では、前述した2つの状態の中間程度の立ち上がりを持つサージ電流が印可される場合が多い(C)。第1実施形態のESD保護回路では、特に(A)、(C)の場合に有効である。
In the first embodiment, by using the
また、図8は第1実施形態のESD保護回路を、電源電圧VDD端子と入出力I/O端子間、入出力I/O端子と基準電位Vss端子間、及び電源電圧VDD端子と基準電位Vss端子間に配置した例を示す。このような回路構成を形成すれば、ESD現象などによるサージ電流が電源電圧VDD端子あるいは入出力I/O端子に入力した場合でも、電源電圧VDD端子あるいは入出力I/O端子に入ったサージ電流を基準電位Vss端子に流し、サージ電流が内部回路に流れ込むのを防止できる。これにより、サージ電流による内部回路の破壊を低減できる。なお、図8のような場合では、サージ電流を基準電位Vss端子から電源電圧VDD端子に流す保護素子(例えば、電源電圧VDD端子が基準電位Vss端子よりも常に電圧が高い場合はダイオード単体など)を必要により設けてもよい。 FIG. 8 shows the ESD protection circuit of the first embodiment between the power supply voltage VDD terminal and the input / output I / O terminal, between the input / output I / O terminal and the reference potential Vss terminal, and between the power supply voltage VDD terminal and the reference potential Vss. An example of arrangement between terminals is shown. When such a circuit configuration is formed, even when a surge current due to an ESD phenomenon or the like is input to the power supply voltage VDD terminal or the input / output I / O terminal, the surge current input to the power supply voltage VDD terminal or the input / output I / O terminal. Can be passed through the reference potential Vss terminal to prevent surge current from flowing into the internal circuit. Thereby, destruction of the internal circuit due to the surge current can be reduced. In the case shown in FIG. 8, a protective element that causes a surge current to flow from the reference potential Vss terminal to the power supply voltage VDD terminal (for example, a diode alone when the power supply voltage VDD terminal is always higher in voltage than the reference potential Vss terminal). May be provided if necessary.
なお、第1実施形態では、1つのESD放電回路と2つのトリガ回路にてESD保護回路を構成した場合を説明したが、1つのESD放電回路と3つ以上のトリガ回路にてESD保護回路を構成してもよい。また、ESD放電回路として、MOSFETなどの一般的に用いられている放電回路を用いることも可能である。さらに、トリガ回路には、逆方向ダイオード、またはMOSキャパシタ、RC回路など一般的に用いられているトリガ回路を用いることも可能である。 In the first embodiment, the case where the ESD protection circuit is configured by one ESD discharge circuit and two trigger circuits has been described. However, the ESD protection circuit is configured by one ESD discharge circuit and three or more trigger circuits. It may be configured. In addition, a commonly used discharge circuit such as a MOSFET may be used as the ESD discharge circuit. Further, as the trigger circuit, a generally used trigger circuit such as a reverse diode, a MOS capacitor, or an RC circuit can be used.
[第2実施形態]
次に、この発明の第2実施形態のESD保護回路について説明する。この第2実施形態では、2つのESD放電回路と1つのトリガ回路にてESD保護回路を構成した場合を示す。
[Second Embodiment]
Next, an ESD protection circuit according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, an ESD protection circuit is configured by two ESD discharge circuits and one trigger circuit.
図9は、第2実施形態のESD保護回路の構成を示す概略図である。このESD保護回路は、2つのESD放電回路11A、11Bと1つのトリガ回路12を備えている。第1のノードN1と第2のノードN2との間にはESD放電回路11A、11Bが配置され、第1のノードN1とESD放電回路11A、11Bとの間にはトリガ回路12が配置されている。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the ESD protection circuit of the second embodiment. The ESD protection circuit includes two
図10に、第2実施形態のESD保護回路の回路構成の一例を示す。第1のノードN1と第2のノードN2との間には、ESD放電回路11Aとして、バイポーラトランジスタBT1、BT2から構成されたサイリスタ(SCR)と、ESD放電回路11Bとしてのバイポーラトランジスタ(NPNトランジスタ)BT3とが並列に接続されている。詳述すると、バイポーラトランジスタBT1のエミッタは第1のノードN1に接続され、バイポーラトランジスタBT1のコレクタはバイポーラトランジスタBT2のベースに接続されている。さらに、バイポーラトランジスタBT1のベースはバイポーラトランジスタBT2のコレクタに接続され、バイポーラトランジスタBT2のエミッタは第2のノードN2に接続されている。また、バイポーラトランジスタBT3のコレクタは第1のノードN1に接続され、バイポーラトランジスタBT3のエミッタは第2のノードN2に接続されている。
FIG. 10 shows an example of the circuit configuration of the ESD protection circuit of the second embodiment. Between the first node N1 and the second node N2, as the
第1のノードN1と第2のノードN2との間には、トリガ回路12として、直列接続されたダイオードD1、D2、D3、D4、及び抵抗R1が接続されている。さらに、サイリスタを構成するバイポーラトランジスタBT2のベースは、ダイオードD4と抵抗R1の接続点、及びバイポーラトランジスタBT3のベースに接続されている。
Between the first node N1 and the second node N2, diodes D1, D2, D3, D4 and a resistor R1 connected in series are connected as the
このような構成を有するESD保護回路において、第1のノードN1にサージ電流が印加された場合、トリガ回路12を通ってトリガ電流がESD放電回路11A、11Bに流れる。これにより、ESD放電回路11Aを構成するサイリスタがオンすると共に、ESD放電回路11Bを構成するバイポーラトランジスタBT3がオンして、サージ電流がサイリスタ及びバイポーラトランジスタBT3を介して第2のノードN2に流れ込む。このようにして、ESD放電現象などによって生じたサージ電流が内部回路に流れ込むのを防ぎ、内部回路が破壊されるのを防止する。
In the ESD protection circuit having such a configuration, when a surge current is applied to the first node N1, the trigger current flows through the
なお、第2実施形態では、2つのESD放電回路と1つのトリガ回路にてESD保護回路を構成した場合を説明したが、3つ以上のESD放電回路と1つのトリガ回路にてESD保護回路を構成してもよい。また、ESD放電回路として、MOSFETなどの一般的に用いられている放電回路を用いることも可能である。さらに、トリガ回路には、逆方向ダイオード、またはMOSキャパシタ、RC回路など一般的に用いられているトリガ回路を用いることも可能である。 In the second embodiment, the case where the ESD protection circuit is configured by two ESD discharge circuits and one trigger circuit has been described. However, the ESD protection circuit is configured by three or more ESD discharge circuits and one trigger circuit. It may be configured. In addition, a commonly used discharge circuit such as a MOSFET may be used as the ESD discharge circuit. Further, as the trigger circuit, a generally used trigger circuit such as a reverse diode, a MOS capacitor, or an RC circuit can be used.
[第3実施形態]
次に、この発明の第3実施形態のESD保護回路について説明する。この第3実施形態では、2つのESD放電回路と2つのトリガ回路にてESD保護回路を構成した場合を示す。
[Third Embodiment]
Next explained is an ESD protection circuit according to the third embodiment of the invention. In the third embodiment, an ESD protection circuit is configured by two ESD discharge circuits and two trigger circuits.
図11は、第3実施形態のESD保護回路の構成を示す概略図である。このESD保護回路は、2つのESD放電回路11A、11Bと2つのトリガ回路12A、12Bを備えている。第1のノードN1と第2のノードN2との間にはESD放電回路11A、11Bが配置され、第1のノードN1とESD放電回路11A、11Bとの間にはトリガ回路12A、12Bが配置されている。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the ESD protection circuit of the third embodiment. The ESD protection circuit includes two
図12に、第3実施形態のESD保護回路の回路構成の一例を示す。第1のノードN1と第2のノードN2との間には、ESD放電回路11Aとして、バイポーラトランジスタBT1、BT2から構成されたサイリスタ(SCR)と、ESD放電回路11Bとしてのバイポーラトランジスタ(NPNトランジスタ)BT3が並列に接続されている。詳述すると、バイポーラトランジスタBT1のエミッタは第1のノードN1に接続され、バイポーラトランジスタBT1のコレクタはバイポーラトランジスタBT2のベースに接続されている。さらに、バイポーラトランジスタBT1のベースはバイポーラトランジスタBT2のコレクタに接続され、バイポーラトランジスタBT2のエミッタは第2のノードN2に接続されている。また、バイポーラトランジスタBT3のコレクタは第1のノードN1に接続され、バイポーラトランジスタBT3のエミッタは第2のノードN2に接続されている。
FIG. 12 shows an example of the circuit configuration of the ESD protection circuit of the third embodiment. Between the first node N1 and the second node N2, as the
第1のノードN1と第2のノードN2との間には、トリガ回路12Aとして、直列接続されたダイオードD1、D2、D3、D4、及び抵抗R1が接続され、さらにトリガ回路12Bとして、NチャネルMOSトランジスタNT1、及び抵抗R2が接続されている。さらに、サイリスタを構成するバイポーラトランジスタBT2のベースは、ダイオードD4と抵抗R1の接続点、NチャネルMOSトランジスタNT1と抵抗R2の接続点、及びバイポーラトランジスタBT3のベースに接続されている。
Between the first node N1 and the second node N2, diodes D1, D2, D3, D4 and a resistor R1 connected in series are connected as a
このような構成を有するESD保護回路において、第1のノードN1にサージ電流が印加された場合、トリガ回路12A、12Bを通ってトリガ電流がESD放電回路11A、11Bに流れる。これにより、ESD放電回路11Aを構成するサイリスタがオンすると共に、ESD放電回路11Bを構成するバイポーラトランジスタBT3もオンして、サージ電流がサイリスタ及びバイポーラトランジスタBT3を介して第2のノードN2に流れ込む。このようにして、ESD放電現象などによって生じたサージ電流が内部回路に流れ込むのを防ぎ、内部回路が破壊されるのを防止する。
In the ESD protection circuit having such a configuration, when a surge current is applied to the first node N1, the trigger current flows to the
なお、第3実施形態では、2つのESD放電回路と2つのトリガ回路にてESD保護回路を構成した場合を説明したが、3つ以上のESD放電回路と3つ以上のトリガ回路にてESD保護回路を構成してもよい。また、ESD放電回路として、MOSFETなどの一般的に用いられている放電回路を用いることも可能である。さらに、トリガ回路には、逆方向ダイオード、またはMOSキャパシタ、RC回路など一般的に用いられているトリガ回路を用いることも可能である。 In the third embodiment, the case where the ESD protection circuit is configured by two ESD discharge circuits and two trigger circuits has been described. However, the ESD protection is performed by three or more ESD discharge circuits and three or more trigger circuits. A circuit may be configured. In addition, a commonly used discharge circuit such as a MOSFET may be used as the ESD discharge circuit. Further, as the trigger circuit, a generally used trigger circuit such as a reverse diode, a MOS capacitor, or an RC circuit can be used.
また、前述した各実施形態はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。 In addition, each of the above-described embodiments can be implemented not only independently but also in an appropriate combination. Furthermore, the above-described embodiments include inventions at various stages, and the inventions at various stages can be extracted by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments.
11、11A、11B…ESD放電回路、12、12A、12B…トリガ回路、N1…第1のノード、N2…第2のノード。 11, 11A, 11B ... ESD discharge circuit, 12, 12A, 12B ... trigger circuit, N1 ... first node, N2 ... second node.
Claims (5)
前記第1のノードと前記ESD放電回路との間に配置され、各々が異なる回路素子から構成された複数のトリガ回路とを具備し、
前記トリガ回路は、前記ESD放電回路にトリガ電流を供給することを特徴とするESD保護回路。 An ESD discharge circuit disposed between the first node and the second node;
A plurality of trigger circuits disposed between the first node and the ESD discharge circuit, each composed of different circuit elements;
The ESD protection circuit, wherein the trigger circuit supplies a trigger current to the ESD discharge circuit.
前記第1のノードと前記ESD放電回路との間に配置されたトリガ回路とを具備し、
前記トリガ回路は、前記ESD放電回路にトリガ電流を供給することを特徴とするESD保護回路。 A plurality of ESD discharge circuits disposed between the first node and the second node, each configured of different circuit elements;
A trigger circuit disposed between the first node and the ESD discharge circuit;
The ESD protection circuit, wherein the trigger circuit supplies a trigger current to the ESD discharge circuit.
前記第1のノードと前記ESD放電回路との間に配置され、各々が異なる回路素子から構成された複数のトリガ回路とを具備し、
前記トリガ回路は、前記ESD放電回路にトリガ電流を供給することを特徴とするESD保護回路。 A plurality of ESD discharge circuits disposed between the first node and the second node, each configured of different circuit elements;
A plurality of trigger circuits disposed between the first node and the ESD discharge circuit, each composed of different circuit elements;
The ESD protection circuit, wherein the trigger circuit supplies a trigger current to the ESD discharge circuit.
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