JP3334707B2 - チャージポンプ回路 - Google Patents

チャージポンプ回路

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JP3334707B2 JP2000142528A JP2000142528A JP3334707B2 JP 3334707 B2 JP3334707 B2 JP 3334707B2 JP 2000142528 A JP2000142528 A JP 2000142528A JP 2000142528 A JP2000142528 A JP 2000142528A JP 3334707 B2 JP3334707 B2 JP 3334707B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、チャージポンプ回
路に係わり、特に、電源電圧への依存性がなく且つ温度
依存性を小さくしたチャージポンプ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】PLLのC/N、ロックアップタイム等
の特性に関して電源電圧の変動、温度変動による特性変
動の小さいことが望ましい。しかし、従来の回路ではシ
ンク電流・ソース電流の電源変動、温度変動による特性
変動が大きく、C/N、ロックアップタイム等の特性変
動の原因となっていた。
【0003】従来のチャージポンプ回路の例を図5を参
照に説明する。図5において、PMOSFET21,2
2を流れる電流をI1 、PMOSFET23,NMOS
FET24を流れる電流をI2 、PMOSFET25を
流れる電流をI3 、NMOSFET26を流れる電流を
4 とする。
【0004】トランジスタ番号Nのゲート長W、チャン
ネル長LをそれぞれWi,Liとすると、
【0005】
【数1】
【0006】となる。PMOSFET27のゲートに加
えられる信号1がLで、NMOSFET28に加えられ
る信号2がLの時、FET27がONしてFET28が
OFFするため、ソース電流I3 が流れ、信号1がHで
信号2がHの時、FET27がOFFして、FET28
がONするため、シンク電流I4 が流れ、信号1がHで
信号2がLの時、FET27,28が共にOFFするた
めHi−Z状態となり、シンク電流、ソース電流は流れ
ない。
【0007】ここで、FET21のゲート−ソース間電
圧をVGS1、FET22のゲート−ソース間電圧をV
GS2、FET21、22のしきい値をVT とすると以
下の式が成り立つ。ただし、C1 ,C2 はWi/Liに
よって決まる定数、Vccは電源電圧である。FET2
1について I1 =C1 /2(VGS1−VT 2 …… (3) が成り立つ。
【0008】又、FET22について I1 =C2 /2(VGS2−VT 2 …… (4) が成り立つ。また、 VGS1 + VGS2 = Vcc …… (5) であり、式(3)、(4)、(5)を解くと
【0009】
【数2】
【0010】となり、I1はVcc依存性を持つ。又、
式(1)、(2)よりソース電流I3とシンク電流I4
はI1に比例するため、Vcc依存性、温度依存性を持
ち、C/N、ロックアップタイムに変動を生じさせるこ
とになる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、電源電圧への依存
性がなく且つ温度依存性を小さくした新規なチャージポ
ンプ回路を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。
【0013】即ち、本発明に係わるチャージポンプ回路
の第1態様は、第1のカレントミラー回路と、前記第1
のカレントミラー回路と出力端子との間に設けられ、第
1の制御信号を入力し、前記出力端子に前記第1のカレ
ントミラー回路からの電流を出力する第1のスイッチン
グ素子と、第2のカレントミラー回路と、前記第2のカ
レントミラー回路と前記出力端子との間に設けられ、第
2の制御信号を入力し、前記出力端子から前記第2のカ
レントミラー回路に電流を流し込む第2のスイッチング
素子とからなり、前記第1の制御信号で前記第1のスイ
ッチング素子を介して流れ出す電流を制御すると共に、
前記第2の制御信号で前記第2のスイッチング素子に流
れ込む電流を制御するチャージポンプ回路において、前
記第1及び第2のカレントミラー回路の定電流源は、差
動増幅器と、この差動増幅器の一方のトランジスタのゲ
ートに設けた負の温度係数を有し電源電圧変動に依存し
ない基準電圧源と、前記差動増幅器の他方のトランジス
タのゲートに設けた負の温度係数を持つ抵抗とを含むこ
とを特徴とするものであり、又、第2態様は、前記基準
電圧源は、前記基準電圧源用の定電流源と、前記定電流
源に一方の端子が接続される抵抗と、前記抵抗の他方の
端子にソースが接続され、ゲート及びドレインがグラン
ドに接続されたFETとで構成したことを特徴とするも
のであり、又、第3態様は、前記基準電圧源は、前記基
準電圧源用の定電流源と、前記定電流源に一方の端子が
接続される抵抗と、前記抵抗の他方の端子にエミッタが
接続され、ベース及びコレクタがグランドに接続された
バイポーラトランジスタとで構成したことを特徴とする
ものであり、又、第4態様は、前記差動増幅器の一方の
トランジスタのゲートとグランド間には、負の温度係数
を有する基準電圧が加えられ、前記差動増幅器の他方の
トランジスタのゲートとグランド間には負の温度係数を
持つ抵抗が設けられ、かつ、前記差動増幅器の他方のト
ランジスタのドレインは、負帰還回路を構成するFET
のゲートに接続され、前記負帰還回路を構成するFET
のソースは、前記差動増幅器の他方のトランジスタのゲ
ートに接続されていることを特徴とするものである。
【0014】又、第5態様は、基準電圧源用の定電流源
は、ソースが電源端子に接続された第1のPMOSFE
Tと、ゲートとドレインとが接続され、ソースが前記電
源端子に接続され、ゲートが前記第1のPMOSFET
のゲートに接続される第2のPMOSFETと、ソース
が前記電源端子に接続され、ゲートが前記第1のPMO
SFETのゲートに接続される第3のPMOSFETと
からなるカレントミラー回路と、ゲートとドレインとが
接続され、ソースがグランドに接続され、ドレインが前
記第1のPMOSFETのドレインに接続される第1の
NMOSFETと、ソースが抵抗を介して前記グランド
に接続され、ゲートが前記第1のNMOSFETのゲー
トに接続され、ドレインが前記第2のPMOSFETの
ドレインに接続される第2のNMOSFETとからなる
カレントミラー回路とで構成し、前記第3のPMOSF
ETのドレインから定電流を取り出すことを特徴とする
ものであり、又、第6態様は、前記負の温度係数を持つ
抵抗は、ポリシリコンからなる抵抗であることを特徴と
するものである。
【0015】
【発明の実施の形態】図1に示す本発明のチャージポン
プ回路は、定電圧源18、定電流源19、カレントミラ
ー回路20,21、位相比較器からの制御信号である信
号1、信号2でスイッチングするPMOSFET16と
NMOSFET17により構成される。定電圧源18、
定電流源19によって電源変動に依存せず、温度変動率
の小さい基準電流I1 が生成され、カレントミラー回路
20,21によって所定の電流値が生成される。そし
て、位相比較回路からの信号1,信号2に応答して、カ
レントミラー回路20はソース電流を、カレントミラー
回路21はシンク電流を供給する。
【0016】定電圧源18では、抵抗R2 とトランジス
タ5のVGS(バイポーラTrの場合はVBE)によって電
圧V2 が生成される。抵抗R2 を流れる電流をIR2
し、トランジスタ5としてPMOSFETを用いた場合
のVGSをVGS5 とすると、V2は以下のように与えら
れ、Vcc依存性がない。
【0017】V2 =R2 *IR2+VGS5 図1のトランジスタ番号NのWとLをそれぞれWN 、L
Nと表す。トランジスタ7と8、トランジスタ91と9
のWN /LN が等しいとすると、トランジスタ91と9
を流れる電流が等しくなり、V3 =V2 となるため、V
3もVccに依存しない。またV2 が変動した場合でも
トランジスタ9にはトランジスタ10による帰還がかか
るため、V3 は安定する。定電流源19により以下の式
で与えられる定電流I1 が得られる。
【0018】I1 =V3 /R3 ここでV3 =V2 であり、V2 はVGS5 とRの関数であ
るため、I1 もVGS5とRの関数である。そこでI1
温度係数を打ち消すような温度係数を持つ抵抗を選ぶこ
とによって、I1 はVcc依存がなく温度依存性が小さ
くなる。図1のトランジスタ番号NのWとLをそれぞれ
N 、LN と表すと、FET12を流れる電流をI2
FET14を流れる電流をI3 、FET15を流れる電
流をI4とすると、
【0019】
【数3】
【0020】となり、ソース電流I3 とシンク電流I4
が得られる。
【0021】図1において、V2 はVccに依存せず、
式(7)、(8)、(9)より、シンク電流・ソース電
流はI1 に比例するため、I1 のVcc依存性を無くし
温度依存性を小さくすることにより、Vcc依存性がな
く温度依存性の小さいシンク電流・ソース電流が得られ
る。これにより、C/N・ロックアップタイムのVcc
依存性・温度依存性を小さくすることができる。定電圧
源においてVcc依存のない定電圧V2 を生成し、定電
流源にV2 と逆の温度係数を持つ抵抗を用いることによ
り、温度依存性の小さい基準電流I1 が得られる。
【0022】
【実施例】以下に、本発明に係わるチャージポンプ回路
の具体例を図面を参照しながら詳細に説明する。
【0023】図2は、本発明に係わるチャージポンプ回
路の具体例を示す回路図であって、図2には、第1のカ
レントミラー回路20と、この第1のカレントミラー回
路20とこのチャージポンプ回路の出力端子30との間
に設けられ、PLL回路の位相比較回路からの第1の制
御信号(信号1)を入力し、前記出力端子30に前記第
1のカレントミラー回路20からの電流I3 を出力する
第1のスイッチング素子16と、第2のカレントミラー
回路21と、この第2のカレントミラー回路21と前記
出力端子30との間に設けられ、PLL回路の位相比較
回路からの第2の制御信号(信号2)を入力し、前記制
御端子30から前記第2のカレントミラー回路21に電
流I4 を流し込む第2のスイッチング素子17とからな
り、PLL回路の位相比較回路からの前記第1及び第2
の制御信号に基づき電圧制御回路を制御するためのチャ
ージポンプ回路において、前記第1及び第2のカレント
ミラー回路20、21の定電流源は、差動増幅器と、こ
の差動増幅器の一方のトランジスタのゲートに設けた負
の温度係数を有する基準電圧源18と、前記差動増幅器
の他方のトランジスタのゲートに設けた負の温度係数を
有するポリシリコンからなる抵抗R3とを含むチャージ
ポンプ回路が示され、又、前記基準電圧源18は、前記
基準電圧源用の定電流源18Aと、前記定電流源18A
に一方の端子が接続される抵抗Rと、前記抵抗R
他方の端子にソースが接続され、ゲート及びドレインが
グランドに接続されたFET5とで構成したことを特徴
とするチャージポンプ回路が示され、又、前記差動増幅
器の一方のトランジスタ91のゲートとグランド間に
は、負の温度係数を有する基準電圧V2が加えられ、前
記差動増幅器の他方のトランジスタ9のゲートとグラン
ド間には負の温度係数を持つ抵抗Rが設けられ、か
つ、前記差動増幅器の他方のトランジスタ9のドレイン
は、負帰還回路を構成するFET10のゲートに接続さ
れ、前記負帰還回路を構成するFET10のソースは、
前記差動増幅器の他方のトランジスタ9のゲートに接続
されていることを特徴とするチャージポンプ回路が示さ
れ、更に、基準電圧源用の定電流源18は、ソースが電
源端子Vccに接続された第1のPMOSFET1と、
ゲートとドレインとが接続され、ソースが前記電源端子
Vccに接続され、ゲートが前記第1のPMOSFET
1のゲートに接続される第2のPMOSFET3と、ソ
ースが前記電源端子Vccに接続され、ゲートが前記第
1のPMOSFET1のゲートに接続される第3のPM
OSFET6とからなるカレントミラー回路と、ゲート
とドレインとが接続され、ソースがグランドGNDに接
続され、ドレインが前記第1のPMOSFET1のドレ
インに接続される第1のNMOSFET2と、ソースが
抵抗Rを介して前記グランドGNDに接続され、ゲー
トが前記第1のNMOSFET2のゲートに接続され、
ドレインが前記第2のPMOSFET3のドレインに接
続される第2のNMOSFET4とからなるカレントミ
ラー回路とで構成し、前記第3のPMOSFET6のド
レインから定電流IR2を取り出すことを特徴とするチ
ャージポンプ回路が示されている。
【0024】以下に、本発明を更に詳細に説明する。
【0025】定電圧源18は、PMOSFET1、3、
5、6とNMOSFET2、4とで構成され、FET
1、3、6のソースは、共に電源Vccに接続し、又、
FET3のゲートとドレインは接続され、更に、FET
1、3、6のゲートは共に接続されていて、FET1、
3、6はカレントミラー回路を構成している。
【0026】又、FET2、4も、カレントミラー回路
を形成し、従って、FET2、4のソースは、共にグラ
ンドGNDに接続し、又、FET2のゲートとドレイン
とは互いに接続され、FET2、4のゲートも互いに接
続されている。そして、FET1、2のドレインは互い
に接続され、又、FET3、4のドレインも互いに接続
されている。
【0027】又、FET5のゲート、ドレインは共にグ
ランドGNDに接続し、FET5のソースは、抵抗R2
を介してFET6のドレインに接続している。そして、
この定電圧源18の出力は、FET6のドレインから取
り出され、定電流源19に導かれるように構成されてい
る。
【0028】定電流源19は、差動増幅器を構成するN
MOSFET9、91と、この差動増幅器の負荷である
カレントミラー回路を形成するPMOSFET7、8
と、差動増幅器の定電流源であるNMOSFET92
と、FET9のドレイン・ゲート間に設けられたNMO
SFET10とで構成している。そして、FET7、8
のソースは、共に電源Vccに接続し、又、FET7の
ゲートとドレインは接続していて、更に、FET7、8
のゲートは共に接続されている。又、FET9、91の
ソースは共に接続され、FET9、91のソースとグラ
ンド間には定電流用のFET92が設けられている。
【0029】そして、FET91のゲートは、FET6
のドレインに接続され、FET9のドレインは、FET
10のゲートに接続され、FET10のソースは、ポリ
シリコンからなる抵抗R3 を介してグランドGNDに接
続され、又、FET10のソースとFET9のゲートは
接続され、FET10は、負帰還回路を形成している。
【0030】又、チャージポンプ回路は、カレントミラ
ー回路20、21とからなり、カレントミラー回路21
は、NMOSFET92、13、15で構成され、従っ
て、FET92、13、15のソースは、共にグランド
GNDに接続し、又、FET13のゲートとドレインは
互いに接続され、又、FET92、13、15のゲート
は互いに接続している。
【0031】又、カレントミラー回路20は、PMOS
FET11、12、14で構成され、従って、FET1
1、12、14のソースは、共に電源Vccに接続し、
又、FET11のゲートとドレインとは接続され、FE
T11、12、14のゲートは互いに接続されている。
そして、FET10、11のドレインは互いに接続さ
れ、又、FET12、13のドレインは互いに接続され
ている。
【0032】更に、図示していないPLL回路の位相比
較回路の出力信号(信号1)は、PMOSFET16の
ゲートに入力するように構成され、FET16のソース
は、FET14のドレインに接続している。又、前記P
LL回路の位相比較回路の出力信号(信号2)は、NM
OSFET17のゲートに入力するように構成され、F
ET17のソースは、FET15のドレインに接続し、
更に、FET16、17のドレインは互いに接続され、
FET16、17のドレインに設けられた端子30から
ソース電流I3 が出力され、逆に、端子30にシンク電
流I4 が流れ込むようになっている。
【0033】このように構成した本発明のチャージポン
プ回路の定電圧源18において、Vt =kT/q、Si
=Wi/Li、FET5のゲート・ソース間電圧をV
GS5とすると、
【0034】
【数4】
【0035】よって
【0036】
【数5】
【0037】従って、V2 はVccに依存しない。
【0038】定電流源19においてはFET9はFET
10によって負帰還がかかり、V3はV2 に追従するた
めV3 もVcc依存性がない。帰還により、V3 はV2
の変動にほとんど依存せず一定となる。S7 =S8
時、
【0039】
【数6】
【0040】 dI1 /dT=d/dT(VGS5 /R3 +AVt/R3 ) =VGS5 ・d/dT(1/R3 )+1/R3 ・d/dT(VGS5 )+AVt・ d/dT(1/R3 )+A・1/R3 ・dVt/dT =d/dT(1/R3)(VGS5 +A Vt)+1/R3・d/dT(VGS5 ) +A・1/R3・k/q(ただし、Aは定数) 抵抗として負の温度係数のポリシリ抵抗を用いると、d
/dT(1/R3)は正の温度係数、d/dT(V
GS5 )は負の温度係数を持つため、温度依存性を小さく
できる。
【0041】図2のトランジスタ番号NのWとLをそれ
ぞれWN 、LN と表すと、
【0042】
【数7】
【0043】となり、ソース電流I3 とシンク電流I4
が得られる。
【0044】信号1がLで信号2がLの時、FET16
がONしFET17がOFFする為ソース電流I3 が流
れる。信号1がHで信号2がHの時、FET16がOF
FしFET17がONする為シンク電流I4 が流れる。
信号1がHで信号2がLの時、FET16、17共にO
FFする為、Hi−Z状態となる。
【0045】図3に本発明の他の具体例を示す。図3は
図2のFET5をpnpトランジスタ5Aに置き換えた
ものである。図5では、コレクタとベースをグランドG
NDに接続し、エミッタを抵抗R2 を介して、FET6
のドレインに接続している。トランジスタ5Aのベース
エミッタ間電圧をVBE5 とすると、図2の場合と同様に
【0046】
【数8】
【0047】となり、Vccに依存しないV2 が得られ
る。ここで
【0048】
【数9】
【0049】 dI1 /dT=d/dT(VBE5 /R3 +AVt/R3 ) =VBE5 ・d/dT(1/R3 )+1/R3 ・d/dT(VBE5 )+AVt・ d/dT(1/R3 )+A・1/R3・dVt/dT =d/dT(1/R3 )(VBE5 +A Vt)+1/R3 ・d/dT(VBE5 )+A・1/R3 ・k/q(ただし、Aは定数) 抵抗として負の温度係数のポリシリ抵抗を用いると、d
/dT(1/R3 )は正の温度係数、d/dT(V
BE5 )は負の温度係数を持つため、温度依存性の小さい
基準電流I1 が得られる。図2と同様にこのI1 を用い
てVcc依存が無く、温度依存性の小さいソース・シン
ク電流が得られる。
【0050】図4は、本発明の別の具体例である。この
回路では、図2のFET2、4の代わりにNMOSFE
T2A、4Aが設けられている。
【0051】そして、FET2AのソースはグランドG
NDに接続され、又、FET4Aのソースは抵抗R1
介してグランドGNDに接続され、更に、FET1、2
Aのドレインは互いに接続され、FET3、4Aのドレ
インも互いに接続され、FET2AのドレインとFET
4Aのゲートとが接続され、又、FET4Aのソースと
FET2Aのゲートとが接続されている。
【0052】図4の回路では、FET2A、4Aのフィ
ードバックにより、FET2Aには、抵抗Rを流れる
電流IR1と同じ電流が流れる。IR1について以下の式が
成り立つ。
【0053】
【数10】
【0054】ここでCは定数、VGS1 はFET2Aのゲ
ート−ソース間電圧、Vt1はFET2Aのしきい値電
圧、Wi、Liはトランジスタ番号iのWとLである。
【0055】抵抗R2 を流れる電流IR2
【0056】
【数11】
【0057】で与えられる為、IR1はVcc依存性がな
いので、 V2 =VGS5 +IR22 で与えられ、V2 もVcc依存性を持たない。その他、
図2と同様の原理でVcc依存性が無く、温度依存性の
小さいソース電流・シンク電流が得られる。
【0058】また、図4において、トランジスタ5をp
npトランジスタに置き換えても良い。
【0059】
【発明の効果】本発明に係わるチャージポンプ回路は、
上述のように構成したので、電源電圧への依存性がなく
且つ温度依存性を小さくしたチャージポンプ回路が得ら
れる。
【0060】しかも、構成が簡単であるから、実施の容
易である等、優れた特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるチャージポンプ回路の実施の形
態を示す図である。
【図2】本発明のチャージポンプ回路の具体例を示す回
路図である。
【図3】本発明のチャージポンプ回路の具体例の他の回
路図である。
【図4】本発明のチャージポンプ回路の具体例の別の回
路図である。
【図5】従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
1〜17、91、92、2A、4A FET R1 、R2 、R3 抵抗 5A バイポーラトランジスタ

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1のカレントミラー回路と、前記第1
    のカレントミラー回路と出力端子との間に設けられ、第
    1の制御信号を入力し、前記出力端子に前記第1のカレ
    ントミラー回路からの電流を出力する第1のスイッチン
    グ素子と、第2のカレントミラー回路と、前記第2のカ
    レントミラー回路と前記出力端子との間に設けられ、第
    2の制御信号を入力し、前記出力端子から前記第2のカ
    レントミラー回路に電流を流し込む第2のスイッチング
    素子とからなり、前記第1の制御信号で前記第1のスイ
    ッチング素子を介して流れ出す電流を制御すると共に、
    前記第2の制御信号で前記第2のスイッチング素子に流
    れ込む電流を制御するチャージポンプ回路において、 前記第1及び第2のカレントミラー回路の定電流源は、
    差動増幅器と、この差動増幅器の一方のトランジスタの
    ゲートに設けた負の温度係数を有し電源電圧変動に依存
    しない基準電圧源と、前記差動増幅器の他方のトランジ
    スタのゲートに設けた負の温度係数を持つ抵抗とを含む
    ことを特徴とするチャージポンプ回路。
  2. 【請求項2】 前記基準電圧源は、前記基準電圧源用の
    定電流源と、前記定電流源に一方の端子が接続される抵
    抗と、前記抵抗の他方の端子にソースが接続され、ゲー
    ト及びドレインがグランドに接続されたFETとで構成
    したことを特徴とする請求項1記載のチャージポンプ回
    路。
  3. 【請求項3】 前記基準電圧源は、前記基準電圧源用の
    定電流源と、前記定電流源に一方の端子が接続される抵
    抗と、前記抵抗の他方の端子にエミッタが接続され、ベ
    ース及びコレクタがグランドに接続されたバイポーラト
    ランジスタとで構成したことを特徴とする請求項1記載
    のチャージポンプ回路。
  4. 【請求項4】 前記差動増幅器の一方のトランジスタの
    ゲートとグランド間には、負の温度係数を有する基準電
    圧が加えられ、前記差動増幅器の他方のトランジスタの
    ゲートとグランド間には負の温度係数を持つ抵抗が設け
    られ、かつ、前記差動増幅器の他方のトランジスタのド
    レインは、負帰還回路を構成するFETのゲートに接続
    され、前記負帰還回路を構成するFETのソースは、前
    記差動増幅器の他方のトランジスタのゲートに接続され
    ていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載
    のチャージポンプ回路。
  5. 【請求項5】 基準電圧源用の定電流源は、ソースが電
    源端子に接続された第1のPMOSFETと、ゲートと
    ドレインとが接続され、ソースが前記電源端子に接続さ
    れ、ゲートが前記第1のPMOSFETのゲートに接続
    される第2のPMOSFETと、ソースが前記電源端子
    に接続され、ゲートが前記第1のPMOSFETのゲー
    トに接続される第3のPMOSFETとからなるカレン
    トミラー回路と、 ゲートとドレインとが接続され、ソースがグランドに接
    続され、ドレインが前記第1のPMOSFETのドレイ
    ンに接続される第1のNMOSFETと、ソースが抵抗
    を介して前記グランドに接続され、ゲートが前記第1の
    NMOSFETのゲートに接続され、ドレインが前記第
    2のPMOSFETのドレインに接続される第2のNM
    OSFETとからなるカレントミラー回路とで構成し、
    前記第3のPMOSFETのドレインから定電流を取り
    出すことを特徴とする請求項2又は3に記載のチャージ
    ポンプ回路。
  6. 【請求項6】 前記負の温度係数を持つ抵抗は、ポリシ
    リコンからなる抵抗であることを特徴とする請求項1乃
    至5のいずれかに記載のチャージポンプ回路。
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