JP5940537B2 - 調整可能な帯域幅を備えたトラックアンドホールドアーキテクチャ - Google Patents

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Description

本願は、全般的にアナログ・デジタル・コンバータ(ADC)に関し、更に特定して言えば、時間インターリーブされた(TI)ADCに関連する。
図1は、従来のアナログ・デジタル・コンバータ(ADC)100を示す。ADC100は全般的に、トラックアンドホールド(T/H)回路102及びサブADC104を含み、これらは、オペレーションにおいて、ADC100が、複数のサンプリング時点でアナログ入力信号X(t)をサンプリングし、サンプリングされた信号をデジタル信号Y[n]に変換することができるように実装される。図1に示すように、T/H回路104は全般的にスイッチ及びキャパシタを含む。スイッチはノンゼロ抵抗を有し、ノンゼロ抵抗は、T/H回路102をフィルタ(典型的に、単極低域フィルタ)として機能させる。
図2に移ると、ADC100のモデル200が示されている。モデル200において、ADC100のフィルタの態様はフィルタ202で表し、ADC100の残りの機能を理想的ADC204で表す。フィルタ202は、h(t)の時間ドメインの伝達関数を有し、これは、周波数ドメインでは次のように表すことができる。
ここで、gはADC100の利得であり、Δtαは基準に対する時間遅延であり、ωはカットオフ周波数(帯域幅)である。このモデル200は、例えば、テキサス・インスツルメンツ(TI)からのADCのためのミスマッチを決定するとき有用となり得る。
図3Aにおいて、TI ADC300の一例を見ることができる。TI ADC300は全般的に、ADC100−1〜100−M(ここで、ADC100−1〜100−Mの各々は、一般に、図1からのADC100と同じ構造を有する)を含み、これらのADCは、分周器302によりクロックされて、ADC100−1〜100−Mからの出力がマルチプレクサ304により多重化され得、デジタル信号Y[n]を生成するようにする。ただし、TI ADC300を構築するとき、ADC100−1〜100−Mは互いに同一ではなく、わずかな構造的及び動作的変動がある。これらのわずかな変動は、ADC100−1〜100−M間の直流(DC)オフセットミスマッチ、タイミングスキュー(skew)、利得ミスマッチ、及び帯域幅ミスマッチとなる。
列挙した異なるタイプのミスマッチの中でも、帯域幅ミスマッチの結果の性能インパクトは、最も弱く、これまで大抵無視されてきたが、高精度で(一般的に6ビットより大きく)、高速な(一般的に1GS/sより大きい)TI ADCを構築するために、インターリーブされたADCブランチ間の帯域幅ミスマッチを補正する必要がある。TI ADC300をみると、入力信号が周波数ω*を備えたトーンであるとき、出力スペクトルは下記のように表すことができる。
一般的に帯域幅ミスマッチのための上界又は最悪のケースを表す、双方向TI ADC(M=2)と仮定すると、数式(2)は下記まで還元され得る。
のスプリアスフリーダイナミックレンジ(SFDR)を備えた、
である。従って、M方向インターリーブされたTI ADCのためのSFDRは、下記の通りであると判断することができる。
ここで、
である。ここで、数式(1)は、シミュレーションの目的のためTI ADC300に適用され得るため、下記のようになる。
ここで、Tはクロック信号CLKの期間である。このようなシミュレーションは、帯域幅ミスマッチの変動が利得ミスマッチ及びタイミングスキューに依存すること、及び(高精度、高速のTI ADC)帯域幅ミスマッチが性能に著しい影響を与えることをもたらす。有効帯域幅ミスマッチのシミュレーションの一例は、異なる利得及びスキュー補償に対する図3Bで見ることができる。このため、TI ADCのための所望のSFDR(即ち、70dBより大きい)を達成するには、TI ADC内のADCの帯域幅は、0.1%〜0.25%内にマッチングされるべきである。
しかし、帯域幅ミスマッチを盲目的に決定するための推定アルゴリズム又は回路はこれまで存在していない。2つの既知の最も関連する従来の回路は、下記文献に記載されている。
2007年の回路及びシステムに関する2007IEEEインターナショナルシンポジウムの議事録のSatarzadehらの「2チャネル時間インターリーブされたA/Dコンバータのための帯域幅ミスマッチ補正」(Satarzadeh et al., "Bandwidth MismatchCorrection for a Two-Channel Time-Interleaved A/D Converter," Proceedingsof 2007 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2007) 2006年10月23日の回路及びシステムにIEEE報告書II:エクスプレスブリーフ、Vol.53、No.10、1133〜1137頁のTsaiらの「時間インターリーブされたアナログ・デジタル・コンバータにおける帯域幅ミスマッチ及びその補正」(Tsai et al., "Bandwidth Mismatch andIts Correction in Time-Interleaved Analog-to-Digital Converters," IEEETransactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 53, No. 10, pp.1133-1137, Oct. 23, 2006.)これらの回路のいずれも盲目的帯域幅ミスマッチ推定を適切に対処していない。
しかし、盲目的帯域幅ミスマッチ推定が適切に実行できると仮定すると、TI ADC300内のT/H回路(T/H回路102など)の帯域幅の調節は、少なくとも部分的に、帯域幅マッチングの精度のため困難であり得る。T/H回路102内に含まれるスイッチド・キャパシタ配置は、それが実行困難であり得るため望ましくなく、容量性調整(バラクター及び調整電圧を備えるなど)も信号依存性のため望ましくない。このため、盲目的帯域幅ミスマッチ推定から調節され得る帯域幅調節回路が求められている。
幾つかの他の従来の回路は下記文献に記載されている。
米国特許番号第5,500,612号 米国特許番号第6,232,804号 米国特許番号第6,255,865号 米国特許公報番号2004/0070439 米国特許公報番号2004/0239545 米国特許公報番号2009/0009219 1999年5月のIEEEジャーナルオブソリッドステートサーキット、Vol.34、No.5、599〜606頁のAboらの出版物「1.5V、10ビット、14.3MS/s CMOSパイプラインアナログ・デジタル・コンバータ」(Abo et al. "A 1.5-V, 10-bit, 14.3-MS/s CMOS PipelineAnalog-to-Digital Converter," IEEE J. of Solid State Circuits, Vol. 34,No. 5, pp. 599-606, May 1999.)
例示の一実施例は或る装置を提供し、この装置は、クロック信号を受け取るクロック分周器、各々がアナログ入力信号を受け取る複数のアナログ・デジタル・コンバータ(ADC)ブランチであって、各ADCブランチが、クロック分周器に結合される遅延回路と、ADCであって、遅延回路に結合されるブートストラップ回路、ブートストラップ回路に結合されるサンプリングスイッチ、制御電圧をブートストラップ回路に提供するためにブートストラップ回路に結合されるコントローラであって、サンプリングスイッチが作動されるときサンプリングスイッチのゲート電圧を制御してサンプリングスイッチのインピーダンスを調節するようになっているコントローラ、及びサンプリングスイッチに結合されるサンプリングキャパシタを有するADCと、ADCに結合される補正回路と、を含むADCブランチ、及び各遅延回路、各補正回路、及び各コントローラに結合されるミスマッチ推定回路であって、各コントローラに制御信号を提供してADCブランチ間の相対的帯域幅ミスマッチに対して調節するミスマッチ推定回路を含む。
例示の一実施例に従って、この装置は、各ADCブランチに結合されるマルチプレクサを更に含む。
例示の一実施例に従って、この補正回路は、DCオフセット及び利得ミスマッチに対して補正するようにそのADCの出力を調節する。
例示の一実施例に従って、このブートストラップ回路は、ADCのホールド位相の間充電されるブーストキャパシタ、第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有するトランジスタであって、トランジスタの第1の受動電極がブーストキャパシタに結合され、トランジスタの第2の受動電極がサンプリングスイッチに結合されるトランジスタ、遅延回路に結合され、トランジスタの制御電極に結合され、制御電圧を受け取るパスゲート回路、及びサンプリングスイッチに結合され、制御電圧により制御されるスキュー回路を更に含む。
例示の一実施例に従って、このトランジスタは第1のトランジスタを更に含み、パスゲート回路は、第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第2のトランジスタであって、第2のトランジスタの第1の受動電極が、制御電圧を受け取るようにコントローラに結合され、第2のトランジスタの制御電極が遅延回路に結合され、第2のトランジスタの第2の受動電極が、第1のトランジスタの制御電極に結合される第2のトランジスタ、第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第3のトランジスタであって、第3のトランジスタの第1の受動電極が、第2のトランジスタの第2の受動電極に結合され、第3のトランジスタの制御電極が遅延回路に結合される第3のトランジスタ、及び第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第4のトランジスタであって、第4のトランジスタの第1の受動電極が、第1のトランジスタの制御電極に結合され、第4のトランジスタの制御電極がサンプリングスイッチに結合され、第4のトランジスタの第2の受動電極が、第3のトランジスタの第2の受動電極に結合される第4のトランジスタを更に含む。
例示の一実施例に従って、スキュー回路は、第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第5のトランジスタを更に含み、第5のトランジスタの第1の受動電極がサンプリングスイッチに結合され、第5のトランジスタの制御電極が、制御電圧を受け取るようにコントローラに結合される。
例示の一実施例に従って、コントローラはデジタル・アナログ・コンバータ(DAC)である。
例示の一実施例に従って、コントローラはチャージポンプである。
例示の一実施例に従って或る装置が、クロック信号を受け取るクロック分周器、各々がアナログ入力信号を受け取る複数のADCブランチであって、各ADCブランチが、クロック分周器に結合される遅延回路と、ADCであって、遅延回路に結合されるブートストラップ回路、ブートストラップ回路に結合されるサンプリングスイッチ、制御電圧をブートストラップ回路に提供するためにブートストラップ回路に結合されるコントローラであって、サンプリングスイッチが作動されるときサンプリングスイッチのゲート電圧を制御してサンプリングスイッチのインピーダンスを調節するようになっているコントローラ、及びサンプリングスイッチに結合されるサンプリングキャパシタ、サンプリングキャパシタに結合される出力回路、及び出力回路に結合されるサブADCを有するADCと、ADCに結合される補正回路と、を含むADCブランチ、及び各遅延回路、各補正回路、及び各コントローラに結合されるミスマッチ推定回路であって、各コントローラに制御信号を提供してADCブランチ間の相対的帯域幅ミスマッチに対して調節するミスマッチ推定回路を含む。
例示の一実施例に従って或る装置が提供され、この装置は、クロック信号を受け取るクロック分周器、各々がアナログ入力信号を受け取る複数のADCブランチであって、各ADCブランチが、クロック分周器に結合される遅延回路と、ADCであって、遅延回路に結合されるブートストラップ回路、ブートストラップ回路に結合されるPMOSトランジスタ、制御電圧をブートストラップ回路に提供するためにブートストラップ回路に結合されるコントローラであって、サンプリングスイッチが作動されるときサンプリングスイッチのゲート電圧を制御してサンプリングスイッチのインピーダンスを調節するようになっているコントローラ、そのドレインでPMOSトランジスタに結合されるサンプリングスイッチ、サンプリングキャパシタに結合される出力回路、及び出力回路に結合されるサブADCを有するADCと、ADCに結合される補正回路であって、DCオフセット及び利得ミスマッチに対し補正するようにそのADCの出力を調節する補正回路と、を含むADCブランチ、及び各遅延回路、各補正回路、及び各コントローラに結合されるミスマッチ推定回路であって、各コントローラに制御信号を提供してADCブランチ間の相対的帯域幅ミスマッチに対して調節するミスマッチ推定回路を含む。
例示の一実施例に従って、PMOSトランジスタは第1のPMOSトランジスタを更に含み、ブートストラップ回路は、ADCのホールド位相の間充電されるブーストキャパシタ、そのソースでブーストキャパシタ及びそのドレインで第1のPMOSスイッチのゲートに結合される第2のPMOSトランジスタ、遅延回路に結合され、第2のPMOSトランジスタのゲートに結合され、制御電圧を受け取るパスゲート回路、及びサンプリングスイッチに結合され、制御電圧により制御されるスキュー回路を更に含む。
例示の一実施例に従って、パスゲート回路は、そのソースでコントローラ、そのゲートで遅延回路、及びそのドレインで第2のPMOSトランジスタのゲートに結合される第3のPMOSトランジスタ、そのドレインで第3のPMOSトランジスタのドレイン、及びそのゲートで遅延回路に結合される第1のNMOSトランジスタ、及びそのドレインで第3のPMOSトランジスタのドレイン、そのソースで第1のNMOSトランジスタのソース、及びそのゲートで第1のPMOSトランジスタのゲートに結合される第2のNMOSトランジスタを更に含む。
例示の一実施例に従って、スキュー回路は、そのドレインで第1のPMOSトランジスタのゲート、及びそのゲートでコントローラに結合される第3のNMOSトランジスタを更に含む。
例示の一実施例に従って、コントローラはDAC又はチャージポンプである。
例示の実施例を添付の図面を参照して説明する。
図1は従来のADCの回路図である。 図2は、図1のADCのモデルのブロック図である。 図3Aは、図1のADCを用いた従来のTI ADCの回路図である。 図3Bは、TI ADCのスプリアスフリーダイナミックレンジ(SFDR)に対する帯域幅ミスマッチの影響を示すシミュレーションの一例である。 図4は、本発明の例示の一実施例に従ったTI ADCの回路図である。 図5は、図4のT/H回路の回路図である。 図6は、図5のブートストラップ回路の回路図である。 図7は、図5のT/H回路の帯域幅に対する、図5のT/H回路のサンプリングスイッチの「オン」抵抗を示すグラフである。
図4において、参照符号400は全般的に、本発明の例示の一実施例に従ったTI ADCを示す。ADC400は全般的にADCブランチ402−1〜402−M、分周器404、マルチプレクサ又はMUX408、及びミスマッチ推定回路406を含む。各ADCブランチ402−1〜402−Mもまた全般的に(それぞれ)ADC410−1〜410−M、補正回路416−1〜416−M、及び調節可能な遅延要素又は回路418−1〜418−Mを含む。また、各ADC410−1〜410−Mは全般的に(それぞれ、)T/H回路412−1〜412−M及びサブADC414−1〜414−Mを含む。
オペレーションにおいて、TI ADC400は、アナログ入力信号X(t)をデジタル信号Y[n]に変換する。これを達成するには、分周器404がクロック信号CLK(Fsの周波数又はTsの期間を有する)を、遅延回路418−1〜418−Mによりスタガされ、ADC410−1〜410−Mに供給される、M個のクロック信号(各々Fs/Mの周波数を有する)に分周する。これにより、ADC410−1〜410−Mの各々が、アナログ信号X(t)をデジタル信号X(k)〜ΧΜ(k)に変換することが可能となる。補正回路416−1〜416−Mによりデジタル信号Y[1]〜Y[M]に利得及びDCオフセット調節が適用されてデジタル信号X(k)〜ΧΜ(k)が生成され、これらの信号はその後、MUX408により多重化され得、デジタル信号Y[n]を生成する。
信号Y[0]〜Y[M−1]がマッチングされることを確実にするため、ミスマッチ推定回路406は、利得ミスマッチ、DCオフセットミスマッチ、タイミングスキュー、及び帯域幅ミスマッチを計算し、補償する。ミスマッチ推定回路406は一般的に、利得ミスマッチ、DCオフセットミスマッチ、タイミングスキュー、及び帯域幅ミスマッチを決定し、かつ、利得、DCオフセット、タイミングスキュー、及び帯域幅のための調節を補正回路416−1〜416−M及びT/H回路412−1〜412−Mに提供することが可能な、デジタル信号プロセッサ(DSP)又は専用のハードウェアである。ミスマッチ推定回路406のより完全な説明は、同時係属中の米国特許出願番号12/572,717、発明の名称「時間インターリーブされたアナログ・デジタル・コンバータにおける帯域幅ミスマッチ推定」で見つけることができ、これはあらゆる目的のため参照としてここに組み込む。
ここで図5に移ると、T/H回路412−1〜412−M(後述では、簡潔にするため412と称する)がより詳細に分かる。T/H回路412は全般的に、ブートストラップ回路502、コントローラ504、サンプリングスイッチS1(これは典型的にNMOSトランジスタ又はNMOSスイッチである)、サンプリングキャパシタC SAMPLE、及び出力回路506を含む。オペレーションにおいて、ブートストラップ回路502は、少なくとも部分的に、クロック信号CLK IN(これは、それぞれの遅延回路418−1〜418−Mから受信される)及びコントローラ504からの制御電圧VCNTLに基づいて、サンプリングスイッチS1の作動及び不作動を制御する。一般的に、ミスマッチ推定回路406は、制御信号をコントローラ504(これは、デジタル・アナログ・コンバータ(DAC)又はチャージポンプであり得る)に提供して、制御電圧VCNTLを生成する。サンプリングスイッチS1が作動するとき制御電圧VCNTLは、ブートストラップ回路502を介して、サンプリングスイッチS1のインピーダンス又は「オン」抵抗を調節するようにサンプリングスイッチS1のゲート電圧を制御することができる。
図6を見ると、ブートストラップ回路502がより詳細に分かる。クロック信号CLK INが論理ローであるとき(ホールド位相の間など)、インバータ508がトランジスタQ1(これは典型的にNMOSトランジスタである)を「オン」にし、一方、パスゲート回路(これは全般的にトランジスタQ2、Q3、及びQ5を含む)は、トランジスタQ4(これは一般的にPMOSトランジスタである)を「オフ」状態に保つ。トランジスタQ8及びQ9(これらは典型的にNMOSトランジスタである)が「オン」状態にあるように信号CLK Zが論理ハイであると仮定し、かつ、クロック信号CLK INのこの論理ローの期間中、供給電圧VDDがブーストキャパシタC BOOSTを充電する。クロック信号CLK INが論理ハイに遷移するとき、パスゲート回路はトランジスタQ4を「オン」にし、一方、トランジスタQは「オフ」にされる。この時点で、サンプリングスイッチS1のゲートに電圧が印加されて、それを「オン」にする。サンプリングスイッチS1のためのこのゲート電圧は、少なくとも部分的に、キャパシタC BOOSTの放電、入力信号IN(これはトランジスタQ6を介して印加される)、及び制御電圧VCNTL(これは、パスゲート回路及びスキュー回路(これは全般的にトランジスタQ7及びQ8を含む)を介して印加される)から生成される。一般的に、この制御電圧VCNTLは、トランジスタQ2(これは一般的にPMOSトランジスタである)のソース及びトランジスタQ7(これは一般的にNMOSトランジスタである)のゲートに印加されて、サンプリングスイッチS1のゲート電圧を調節する。このため、サンプリングスイッチS1のゲート電圧は、制御電圧VCNTLを変えることにより容易に制御され得る。また、サンプリングスイッチS1は一般的に、線形領域において動作するNMOSスイッチであるため、このゲート電圧の変動がサンプリングスイッチS1の「オン」抵抗を変え、これが、サンプリングスイッチS1、レジスタR1、及びサンプリングキャパシタC SAMPLEによってつくられるフィルタのフィルタ特性(及び帯域幅)を調節する。
ブートストラップ回路502及びサンプリングスイッチS1に対するオペレーションを図示するため、図7において、サンプリングスイッチS1の「オン」抵抗に対する、T/H回路412の帯域幅を示すグラフを見ることができる。グラフから分かるように、T/H回路412のための帯域幅は、ゼロΩのVCNTL DACコードに対する約2.956GHzから1023ΩのVCNTL DACコードに対する約3.051GHzの間で変化する。このため、3GHzの公称帯域幅を有する多数のT/H回路412(412−1〜412−Mなど)のための帯域幅は、互いに約0.25%〜約0.1%までマッチングするように調節され得る。
本発明に関連する技術の習熟者であれば、説明された例示の実施例に変更を加えることができること、及び特許請求の範囲内で他の多くの実施例が可能であることが分かるであろう。

Claims (10)

  1. 装置であって、
    クロック信号を受け取るクロック分周器、
    各々がアナログ入力信号を受け取る複数のアナログ・デジタル・コンバータ(ADC)ブランチであって、各ADCブランチが、
    前記クロック分周器に結合される遅延回路と、
    ADCであって、
    前記遅延回路に結合されるブートストラップ回路、
    前記ブートストラップ回路に結合されるサンプリングスイッチ、
    制御電圧を前記サンプリングスイッチに提供するために前記ブートストラップ回路に結合されるコントローラであって、前記制御電圧における変化に伴って前記サンプリングスイッチのインピーダンスが変わる、前記コントローラ、及び
    前記サンプリングスイッチに結合されるサンプリングキャパシタ、
    を有する、前記ADCと、
    前記ADCに結合される補正回路と、
    を含む、前記複数のADCブランチ、及び
    各遅延回路、各補正回路、及び各コントローラに結合されるミスマッチ推定回路であって、各コントローラに制御信号を提供して、前記ADCブランチ間の相対的帯域幅ミスマッチに対して調節する、前記ミスマッチ推定回路、
    を含む、装置。
  2. 請求項1に記載の装置であって、
    各ADCブランチに結合されるマルチプレクサを更に含む、装置。
  3. 請求項2に記載の装置であって、
    前記補正回路が、DCオフセット及び利得ミスマッチに対し補正するようにそのADCの出力を調節する、装置。
  4. 請求項2に記載の装置であって、
    前記ブートストラップ回路が、
    前記ADCのホールド位相の間充電されるブーストキャパシタ、
    第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有するトランジスタであって、前記第1の受動電極が前記ブーストキャパシタに結合され、前記第2の受動電極が前記サンプリングスイッチに結合される前記トランジスタ、
    前記遅延回路に結合され、前記トランジスタの前記制御電極に結合され、前記制御電圧を受け取るパスゲート回路、及び
    前記サンプリングスイッチに結合され、前記制御電圧により制御されるスキュー(Skew)回路、
    を更に含む、装置。
  5. 請求項4に記載の装置であって、
    前記トランジスタが第1のトランジスタを更に含み、
    前記パスゲート回路が、
    第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第2のトランジスタであって、前記第2のトランジスタの前記第1の受動電極が前記制御電圧を受け取るように前記コントローラに結合され、前記第2のトランジスタの前記制御電極が前記遅延回路に結合され、前記第2のトランジスタの前記第2の受動電極が前記第1のトランジスタの前記制御電極に結合される、前記第2のトランジスタ、
    第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第3のトランジスタであって、前記第3のトランジスタの前記第1の受動電極が第2のトランジスタの前記第2の受動電極に結合され、前記第3のトランジスタの前記制御電極が前記遅延回路に結合される、前記第3のトランジスタ、及び
    第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第4のトランジスタであって、前記第4のトランジスタの前記第1の受動電極が前記第1のトランジスタの前記制御電極に結合され、前記第4のトランジスタの前記制御電極が前記サンプリングスイッチに結合され、前記第4のトランジスタの前記第2の受動電極が前記第3のトランジスタの前記第2の受動電極に結合される、前記第4のトランジスタ、
    を更に含む、装置。
  6. 請求項5に記載の装置であって、
    前記スキュー回路が、第1の受動電極と第2の受動電極と制御電極とを有する第5のトランジスタを更に含み、前記第5のトランジスタの前記第1の受動電極が前記サンプリングスイッチに結合され、前記第5のトランジスタの前記制御電極が前記制御電圧を受け取るように前記コントローラに結合される、装置。
  7. 請求項6に記載の装置であって、
    前記コントローラがデジタル・アナログ・コンバータ(DAC)である、装置。
  8. 請求項6に記載の装置であって、
    前記コントローラがチャージポンプである、装置。
  9. 請求項1に記載の装置であって、
    各ADCブランチに結合されるマルチプレクサを更に含み、各ADCが出力回路に結合されるサブADCを更に含む、装置。
  10. 請求項1に記載の装置であって、
    各ADCブランチに結合されるマルチプレクサを更に含み、
    前記サンプリングスイッチが、前記ブートストラップ回路に結合されるPMOSトランジスタを含み、前記サンプリングキャパシタが、前記PMOSトランジスタのドレインに結合され、前記ADCが、前記サンプリングキャパシタに結合される出力回路を含み、かつ、前記出力回路に結合されるサブADCを含み、
    前記補正回路が、DCオフセット及び利得ミスマッチに対し補正するようにそのADCの出力を調節する、装置。
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