JP2007507027A - 自動始動機能を備えた集積回路 - Google Patents

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Abstract

本発明は、集積電子回路、特に、アナログ機能を含む集積電子回路に関する。本発明は、特に、バイアス回路(10)の動作における中断後に、バイアス回路(10)の自動始動を保証するように設計されたスタータ回路に関する。
スタータ回路は、第1の導電型の集積回路基板であって、反対の導電型の少なくとも1つのウェルと、ウェル内に形成されかつウェルと共にp−n接合部(J1)を形成する、基板と同じ導電型の半導体領域と、を含む集積回路基板に、バイアス回路が正常に動作している場合にはオン状態にあり、バイアス回路が正常に動作していない場合にはターンオフされるようにバイアス回路に接続された第1のトランジスタ(P1)、またはバイアス回路の動作状態を検出するためのトランジスタであって、このトランジスタが、2つの電源端子(AおよびB)間に、p−n接合部と直列に配置され、半導体領域が、電源端子の1つ(B)に接続され、第1のトランジスタ(P1)のドレインが、導体によってウェルに接続され、かつ第2のトランジスタ(P2)のゲートまたは再始動起動トランジスタに接続され、第2のトランジスタが、第1のトランジスタのスイッチを入れることによってターンオフされ、かつ第1のトランジスタがオフ状態のときに、p−n接合部におけるリーク電流の存在によってターンオンされるトランジスタを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、集積電子回路、特に、アナログ機能を含む集積電子回路に関する。
アナログ機能を備えた回路は、純粋な論理回路とは異なり、明確な値で電流源を定義するバイアス回路の存在を必要とすることが多い。
典型的には、これらのバイアス回路は、フィードバックループを備えた電流ミラーセルを用いる。ミラーのブランチが、別のブランチに強制値の電流を課し、この別のブランチ自体が、最初のブランチに強制値の電流を課す。比較的安定した動作状態、特に、温度に関して値が明確な電流を定義することを可能にするのは、このタイプのフィードバックループである。従来のバイアス回路は、「バンドギャップ」タイプまたはPTAT(絶対温度比例)タイプである。
残念にも、これらのバイアス回路は、起動時または動作の異常停止(電源電力障害もしくは他の遮断)後に、その始動構成がランダム性であるという欠点を有する。このランダム性は、次の事実によって説明される。すなわち、バイアス回路が、望ましい特性(特に温度に応じて)を示す安定した動作点とは別に、ゼロまたはほぼゼロ電流状態で、別の望ましくない安定した動作点(換言すれば、バイアス回路が正常動作において留まらなければならない動作点とは異なる動作点)を有するという事実である。電力が存在しないとき、または電力が再印加されたときに、バイアス回路がこの望ましくない動作点に留まり、そこから自然に離れることができない恐れがある。
この理由で、これらの回路に補助のスタータ回路を追加することが望ましいが、このスタータ回路は、電力が再印加された瞬間に、強制的に電流がバイアス回路に流れ始めるようにし、したがって、バイアス回路を、望ましくない動作点から追い出すことによって、その正常な動作点へ押しやる。
この文脈で用いられるスタータ回路は、2つのタイプである。
− 特定の始動命令によって起動されなければならないスタータ回路。これらは、待機電流消費が低く、非常に短い始動期間に高電流を消費するようにすることができる。したがって、これらの回路には、定常状態ではほとんど電流を引き出さないという利点があるが、しかし、電力が再印加されたときに、自動的に始動することができないという欠点がある。
− 電力供給がある状態で、すなわち、それが最初の起動時であっても、電力障害後またはバイアス回路の正常動作を中断したかもしれないどんな他の障害事象後であっても、自動的に始動できるスタータ回路。これらの回路には、一般に、無視できない定常電流を引き出すという欠点がある。
問題は、電流消費が、多くの用途において、特に小さなバッテリで動作する全ての用途(携帯電話等)において、ますます重要になっているパラメータである、ということである。
本発明の目的は、起動時または電源遮断後に自動的に再始動することができ、かつ定常状態においてほとんど電流を引き出さない、自動始動のための回路を提供することである。
バイアス回路の動作における中断後に、バイアス回路の自動始動を保証するように設計された、本発明によるスタータ回路は、第1の導電型の集積回路基板であって、反対の導電型の少なくとも1つのウェルと、ウェル内に形成されかつウェルと共にp−n接合部を形成する、基板と同じ型の半導体領域と、を含む集積回路基板に、
− バイアス回路が正常に動作している場合にはオン状態にあり、かつ異常動作の場合にはターンオフされるようにバイアス回路に接続された第1のトランジスタ、またはバイアス回路の動作状態を検出するためのトランジスタであって、このトランジスタが、2つの電源端子間に、p−n接合部と直列に配置され、半導体領域が、電源端子の1つに接続され、第1のトランジスタのドレインが導体によってウェルに接続されている第1のトランジスタ、またはトランジスタと、
− 第1のトランジスタのドレインにゲートが接続された第2のトランジスタまたは再始動起動トランジスタであって、第1のトランジスタのスイッチを入れることによってターンオフされ、かつ第1のトランジスタがオフ状態のときに、接合部からのリーク電流の存在によってターンオンされる第2のトランジスタまたは再始動起動トランジスタと、
を含む。
本発明の原理は次のように分類してもよい。すなわち、
− 第1のトランジスタは、バイアス回路の動作のミラーと見なしてもよい。バイアス回路が正常に動作する場合には、第1のトランジスタは導通状態である。第1のトランジスタは、p−n接合部のリークパスを含むだけなので、幸運にも非常に低い電流を引き出すブランチに電流を導通する。第1のトランジスタは、それが導通状態のときには、第2のトランジスタが電流を導通するのを妨げる。
− しかしながら、バイアス回路がターンオフされた場合、第1のトランジスタはターンオフされる。第1のトランジスタのリーク電流より高い、p−n接合部のリーク電流の存在は、第2のトランジスタがターンオンするまで、そのゲート電位を変化させる。第2のトランジスタは、それが導通する場合には、バイアス回路を再始動させるために、回路の電源から来る電流をバイアス回路へ注入する。
したがって、状態は次のとおりである。すなわち、p−n接合部は、正常動作において第1のトランジスタのリーク電流より著しく高いリーク電流を有し、この状態によって、第2のトランジスタのゲートは、第2のトランジスタを導通させる電位にされるということである。
この理由で、p−n接合部は、いくつかの並列の基本接合部から形成するのが好ましい。別個だが互いに電気接続された、基板と同じ導電型のいくつかの半導体領域が、接合部の一方の極を形成する。単数または複数のウェルが、もう一方の極を形成する。互いに電気接続されたいくつかの別個のウェルがある場合には、これらのウェルは、基本接合部を形成するために、そのそれぞれに拡散された少なくとも1つの半導体領域を含み、また基本接合部は並列に接続されて、全体としてp−n接合部を形成する。
実際には、次のように施されている。すなわち、各ウェルには、2つの拡散された半導体領域であって、これら2つの領域に電気接続されたゲートが被さったギャップによって分離された半導体領域が含まれ、トランジスタを形成するアセンブリが、自身のゲート、ドレイン、およびソースを一緒に結合している。この「トランジスタ」は、その全ての電極が一緒に結合されているので、トランジスタモードでは動作しないが、しかしそれは、並列な2つのダイオードとして、すなわち、一方がウェルとドレインとの間に形成され、もう一方がウェルとソースの間に形成されたダイオードとして動作する。このトランジスタは、第1のトランジスタと同じ構成および同じ寸法を有するか、または第1のトランジスタの寸法の倍数の寸法を有するのが好ましい。つまり、好ましくは、逆バイアスダイオードとして構成された少なくとも4つ(4〜10の間)のトランジスタがあって、トランジスタのこのアセンブリにおいて発生される電流リークが、集積回路に形成された様々なトランジスタのリークの分散のいかんを問わず、第1のトランジスタのリークよりもはるかに高くなるように保証するようにする。
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照した以下の詳細な説明を読むことによって、明らかとなるであろう。
図1の右側の破線フレーム10内に、同じ集積回路の一部を形成する他のアナログ回路(図示せず)用の電流基準として用いられる従来のタイプのバイアス回路が示されている。また、左側の破線フレーム20内には、関連するスタータ回路が示されているが、このスタータ回路は、バイアス回路をその望ましい安定動作状態で動作させて、バイアス回路が、ゼロまたはほぼゼロ電流状態で、望ましくない状態である擬似安定状態に留まるのを防ぐように設計されている。
バイアス回路は、単に、例として与えられている。それは、2つの相互的な電流ミラーブランチを備えた回路であり、各ブランチは、もう一方のブランチの電流を複製する。この例において、回路は、絶対温度に比例する電流基準を供給する回路である。
第1のブランチには、Q1と参照符号を付けられたp−MOSトランジスタであって、そのゲートをそのドレインと接続し、かつそのソースを第1の電源端子Aと接続したトランジスタが含まれるが、このトランジスタQ1は、npnトランジスタQ2と直列である。図1に示すように、トランジスタQ2は、いくつかの並列のトランジスタで構成することができる。npnトランジスタQ2は、そのエミッタを、エミッタ抵抗器R2を介して第2の電源端子Bに接続し、そのコレクタを、トランジスタP1のドレインおよびバイアス回路の出力端子Sに接続している。端子Bは一般的な接地端子であり、端子Aは、正の電源電圧Vccを受ける。
バイアス回路の第2のブランチには、npnトランジスタQ4と直列のp−MOSトランジスタQ3が含まれる。トランジスタQ3は、トランジスタQ1と同一であるのが好ましく、またそのソースおよびゲートをトランジスタQ1のソースおよびゲートにそれぞれ接続して、トランジスタQ1に存在する電流を単一の複製比率で複製するようにする。npnトランジスタQ4は、そのエミッタを、エミッタ抵抗器なしかまたはトランジスタQ2のエミッタ抵抗器Rより小さなエミッタ抵抗器を伴って、端子Bに接続している。トランジスタQ4は、さらに、そのコレクタを、そのベースおよびトランジスタQ2のベースならびにまたトランジスタQ3のドレインに接続している。トランジスタQ2は、トランジスタQ4より大きく、したがって、1を超える複製比率でトランジスタQ4の電流を複製する傾向がある。
この二重の電流複製によって、各ブランチ内に基準電流を定義する安定動作点がもたらされる。この基準電流自体を、他のp−MOSミラートランジスタのゲートを駆動する出力S、または他のnpnミラートランジスタのベースを駆動する、Q4のベースから取られた出力S’を用いることによって、複製することができる。
したがって、多くのアナログ回路が、バイポーラ/MOS技術の組み合わせに基づいて組み立てられることからして、この技術を用いるバイアス回路の例を説明してきたが、しかし、バイポーラトランジスタはn−MOSトランジスタと取り替えてもよい。バイアス回路の他の例を挙げることも可能である。
このバイアス回路が、ゼロまたはほぼゼロ電流状態で、望ましくない安定状態にブロックされたままになるのを防ぐために、本発明によるスタータ回路は、破線ブロック20に示すように、バイアス回路に隣接されている。
説明の残りにおいて、集積回路が、バイポーラおよびCMOS技術の組み合わせに基づいて組み立てられてp形半導体基板に形成され、n型絶縁ウェルが、この基板内に、p−MOSトランジスタ用に形成されることについて説明する。電源端子Aは、回路の全体的な接地を形成する電源端子Bに比べて正である。回路がn型基板に形成される場合には、言及したp−MOSトランジスタは、絶縁されたp型ウェル内に作製されたn−MOSトランジスタと取り替えられ、バイポーラトランジスタはpnpになり、電源電位は逆転されるであろう。
スタータ回路20には、第1に、バイアス回路のブランチに存在する電流を複製する傾向があるように構成された第1のp−MOSトランジスタP1が含まれる。このトランジスタP1を用いてバイアス回路の正常動作を検出するのは、トランジスタQ1およびQ2がターンオンされた場合(正常動作)に、トランジスタP1がターンオンされる点において、およびトランジスタQ1およびQ2がターンオフされた場合(端子AとBとの間の電源電圧の存在にもかかわらず、バイアス回路が始動されない)に、トランジスタP1がターンオフされるという点においてである。トランジスタP1のソースは、Q1およびQ3のソースと同様に、端子Aに接続されている。そのゲートは、Q1およびQ3のゲートに接続されている。
トランジスタP1は、並列の逆バイアス半導体p−n接合部のグループと直列であるが、これらの接合部の機能は、P1のドレインと接地端子Bとの間のリーク電流経路を確立することである。これらの接合部は、基板と同じ導電型の半導体領域によって形成され、基板の導電型と反対の導電型のウェルへ拡散される。ウェルは、導体によって、第1のトランジスタP1のドレインに接続されている。ウェルに拡散された半導体領域は、電源端子Bに接続されている。これらの半導体領域とウェルとの間に形成された接合部は、逆バイアスをかけられ、リーク電流がこの接合部を通ってだけ流れることができるようにする。
以下に説明するように、実際には、これらの接合部は、トランジスタP1に類似のトランジスタ(ゲートによって分離されたドレインおよびソース)の形状で作製することができる。図1において、接合部は、全体として参照符号J1によって表示され、いくつかの並列なトランジスタから形成されているが、各トランジスタは、そのソース、ゲートおよびドレインを一緒にして端子Bに接続している。これらのトランジスタは、単一のウェルかまたは別個のウェルに存在するが、後者の場合には全てのウェルは、トランジスタP1のドレインに接続されている。
接合部J1に関連する第1のトランジスタを用いて、再始動を必要とする異常状況を検出する。この再始動を起動させるために、第2のトランジスタP2が設けられているが、このトランジスタP2は、そのゲートをP1のドレインに接続し、そのソースを電源端子Aに接続(見て取れるように、図1の場合には直接に、図3の場合には間接に)している。この第2のトランジスタP2のドレインは、バイアス回路に接続され、トランジスタP2がターンオンされたときにバイアス回路を再始動させるために、電流をこの回路に注入できるようにする。図1に示すバイアス回路の例において、再始動トランジスタP2のドレインは、npnトランジスタQ4(単純なダイオードとして構成されている)のベースおよびエミッタに直接接続され、バイアス回路を再始動させるこのトランジスタQ4に電流を注入する。
回路は次のように働く。すなわち、バイアス回路が、電源の遮断または障害の後で再始動しない場合には、電流は、バイアス回路電流ミラーのブランチにおいて、ゼロまたはほぼゼロである。検出トランジスタP1は、トランジスタQ1における電流を複製する傾向があるように構成されている。この電流が非常に低いかまたはゼロであるので、トランジスタP1自体は、非常に低いかまたはゼロ電流を自身に流す。しかしながら、トランジスタP1内にはリーク電流、特に、トランジスタP1のウェル(端子Aに接続されている)とこのトランジスタのドレインとの間に存在する接合部のリーク電流が存在する。端子Aに電源電圧Vccが存在する状態では、リーク電流は、端子AからトランジスタP1のドレインへ、次に、接合部J1のウェルへ流れるが、このウェルは、導体によってトランジスタP1のドレインに連結されている。そこから、リーク電流は、接合部J1を通って流れ、接地端子Bへ進むことができる。
接合部J1の寸法は、リーク電流フローに対する抵抗が、トランジスタP1より接合部J1においてより低くなるように選択される。これは、たとえリーク電流がはっきり知られていなくても、可能である。トランジスタP1のドレインおよびソースの寸法に比べて、接合部J1の寸法を十分に大きく選択することで十分である(たとえば、接合部J1のためにいくつかの並列トランジスタを用い、各トランジスタのサイズをP1のサイズと等しくし、これらのトランジスタが、そのゲート、ドレインおよびソースを一緒に連結し、ドレインおよびソースがウェルとともに所望の接合部を形成することによって)。
したがって、J1およびP1のリーク抵抗の比率が意味するのは、リーク電流が流れるにつれてトランジスタP2のゲート電位が徐々に低下し、p−MOSトランジスタP2が導通状態になるということである。その後、トランジスタP2は、十分に大きな電流をトランジスタQ4に注入し、バイアス回路を始動させる。
バイアス回路が始動したときに、トランジスタP1(バイアス回路のブランチに存在する電流を複製する傾向がある)は、接合部J1のリーク電流よりはるかに高い電流が流れることを可能にする傾向がある。トランジスタP1および接合部J1の、電流フローに対する抵抗比率は逆転され、トランジスタP2のゲート電位は、このトランジスタを直ちにターンオフする値に回復する。
したがって、始動時にトランジスタP2によって引き出された電流は、トランジスタP2の始動後は引き出されなくなる。低い定常状態の消費を表わす電流である、接合部J1のリーク電流だけが、引き続き引き出される。
図2は、本発明による回路を実装可能な集積回路基板の機能断面図を示す。
ここにおける基板は、n型ウェルが拡散されたp型基板である。p−MOSトランジスタは、これらのウェル内に形成される。
動作検出トランジスタP1は、正の電源端子Aに接続されたウェル内に形成される。P1のソースは、この端子に接続されている。ゲートは、バイアス回路10を再始動するために異常動作を検出されるのが望ましいバイアス回路10に接続されている。より正確には、P1のゲートは、トランジスタQ1およびQ3のゲート(図2には図示せず)に接続されている。
トランジスタP2は、端子Aにまた接続されている別のn型ウェル内に形成される。P2のソースは、端子Aに接続されている。そのゲートは、トランジスタP1のドレインに接続されている。そのドレインは、バイアス回路に再始動電流を強制的に流すためにバイアス回路に接続されている。図1によると、P2のドレインは、トランジスタQ4のエミッタおよびベースに接続されている。
ここでは接合部J1は、別個のウェル31および32内に位置する並列な2つの「トランジスタ」によって形成されるが、しかし実際には、あるトランジスタから別のトランジスタへのリーク電流の分散にもかかわらず、全体としての接合部J1のリーク電流が、オフ状態のトランジスタP1のリーク電流より大きいことを保証するために、4〜10のトランジスタを並列に用いるのが好ましいであろう。接合部J1の各ウェルは、P1のドレインに、したがってP2のゲートに接続されている。2つの「トランジスタ」のそれぞれは、p形半導体ドレイン領域(33、35)およびソース領域(34、36)によって形成され、これらの領域は、ゲート(37、38)が被さったn型ギャップによって分離されている。各「トランジスタ」のゲート、ソースおよびドレインは、接地端子Bに接続されている。完全な回路が形成されているp形半導体基板もまた、その前面および/またはその背面を介して接地されている。
図3は回路修正を示すが、この回路修正により、自動始動に加えて、バイアス回路の手動始動および停止が利用可能になる。たとえば、端子AとBとの間に待機電源Vccが存在するにもかかわらず、動作休止電力消費を制限するために、ON/OFF論理信号を供給するボタンを押すことによって、バイアス回路を意図的に阻止することが望ましいであろう。バイアス回路の強制的な遮断の場合に、ON/OFF論理信号を逆にすることによって、回路の再始動が可能になる。
この目的のために、次の構成を提供するのが好ましい。n−MOSトランジスタT1が、そのソースを端子Bに接続し、そのドレインをトランジスタP2のドレインに接続する。トランジスタT1は、それがオン状態にある場合には、バイアス回路の2つのブランチのトランジスタQ2およびQ4のベースおよびエミッタを短絡させて、バイアス回路の動作(および電流の消費)を防ぐ。トランジスタT1のゲートは、インバータI1の出力部に接続されているが、このインバータI1は、その入力部でON/OFF論理信号(高レベルでON、低レベルでOFF)を受信する。OFF信号の印加によって、トランジスタT1はターンオンされる。
インバータI1の出力部はまた、端子AとトランジスタP1のソースとの間に直列に配置されたp−MOSトランジスタT2のゲートに接続されている。このトランジスタT2は、トランジスタT1がターンオンされるのと同時に、OFF信号によってターンオフされる。それによって、ターンオンされたトランジスタP2およびトランジスタT1により、「停止」モードにおいて、どんな電流も引き出されるのが防がれる。
インバータI1、トランジスタT1およびトランジスタT2によって、バイアス回路のオフ状態において電力消費がないことが保証される。
回路が手動でターンオフされた場合に、回路を手動でより速く再始動させるために(つまり、より遅い自動再始動は、電源遮断の場合のために取っておかれる)、2つのn−MOSトランジスタT3およびT4の直列アセンブリが追加的に設けられているが、一方のトランジスタは、インバータI1の出力によって制御され、もう一方は、第1のインバータI1の出力をそれ自体が受け取る第2のインバータI2の出力によって制御される。この直列アセンブリは、起動トランジスタP2のゲートと接地Bとの間に配置されている。このアセンブリによって、トランジスタP2のゲートは、非常に短い期間(インバータI2の反応時間)接地されることが可能になり、このことがトランジスタP2をターンオンし、瞬間的に始動プロセスを起動させる。この短い期間外では、トランジスタT3またはT4の少なくとも1つがオフ状態にあり、またT3およびT4の直列アセンブリは電流を引き出さず、トランジスタP2に影響を及ぼさない。この短い、始動起動期間は、ON/OFF信号が手動の始動命令のための高論理状態に至る瞬間に発生する。トランジスタT3は、スイッチI1の反転の瞬間に導通状態になるが、トランジスタT4自体はまだ、オン状態にある。なぜなら、トランジスタT4は、インバータI2によって導入されるわずかな遅延の後になって初めて反応するからである。T3およびT4の両方が導通状態である短期間に、トランジスタP2のゲートは接地され、P2はターンオンする。このトランジスタは、すぐ後でターンオフする。
図3のこの構成は、図1の場合のように、電源電圧の遮断の場合に自動再始動を決して妨げるものではない。
例として与えられたバイアス回路に関連する、本発明によるスタータ回路の原理を示す。 本発明によるスタータ回路が形成されたp型集積回路基板の断面を示す。 ON/OFFを制御信号によって制御可能にしなければならないバイアス回路の場合における、他の要素の追加によってわずかに修正された、本発明によるスタータ回路を示す。

Claims (6)

  1. バイアス回路(10)の動作における中断後に、前記バイアス回路(10)の自動始動を保証するように設計されたスタータ回路(20)であって、
    前記スタータ回路が、第1の導電型の集積回路基板であって、反対の導電型の少なくとも1つのウェル(31、32)と、前記ウェル内に形成されかつ前記ウェルと共にp−n接合部を形成する、前記基板と同じ導電型の半導体領域(33、34、35、36)と、を含む集積回路基板に、
    − 前記バイアス回路が正常に動作している場合にはオン状態にあり、かつ異常動作の場合にはターンオフされるように前記バイアス回路に接続された第1のトランジスタ(P1)、または前記バイアス回路の動作状態を検出するためのトランジスタであって、このトランジスタが、2つの電源端子(AおよびB)間に、前記p−n接合部と直列に配置され、前記半導体領域(33、34、35、36)が、前記電源端子の1つ(B)に接続され、前記第1のトランジスタ(P1)のドレインが導体によって前記ウェルに接続されている第1のトランジスタ(P1)またはトランジスタと、
    − 前記第1のトランジスタのドレインにゲートが接続された第2のトランジスタ(P2)または再始動起動トランジスタにして、前記第1のトランジスタのスイッチを入れることによってターンオフされ、かつ前記第1のトランジスタがオフ状態のときに、前記p−n接合部からのリーク電流の存在によってターンオンされる第2のトランジスタ(P2)または再始動起動トランジスタと、
    を含むことを特徴とするスタータ回路(20)。
  2. 前記p−n接合部が、前記基板と同じ導電型の、別個だが互いに電気接続されたいくつかの半導体領域から形成されていることを特徴とする、請求項1に記載のスタータ回路。
  3. 前記p−n接合部が、互いに電気接続されたいくつかの別個のウェルを含み、少なくとも1つの半導体領域が、このウェル内に基本p−n接合部を形成するために、各ウェル拡散され、かくして、前記様々な基本接合部が並列に接続されることを特徴とする、請求項2に記載のスタータ回路。
  4. 各ウェルが、2つの拡散された半導体領域であって、これら2つの領域に電気接続されたゲートが被さったギャップによって分離された半導体領域を含み、トランジスタを形成するアセンブリが、そのゲート、ドレイン、およびソースを一緒に結合していることを特徴とする、請求項3に記載のスタータ回路。
  5. 前記ウェル内に形成され、かつ自身のゲート、ドレインおよびソースを一緒に結合した前記トランジスタが、前記第1のトランジスタ(P1)の寸法の倍数の寸法を有することを特徴とする、請求項4に記載のスタータ回路。
  6. 自身のゲート、ドレインおよびソースを一緒に、かつ前記第2の電源端子(B)に結合したトランジスタの数が、少なくとも4であることを特徴とする、請求項4または5のいずれか一項に記載のスタータ回路。
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