JPH09500243A - デジタル的に較正された出力を備えたアルゴリズムa/dコンバータ - Google Patents
デジタル的に較正された出力を備えたアルゴリズムa/dコンバータInfo
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Abstract
(57)【要約】
マルチステージ・パイプライン化・アルゴリズム・A/Dコンバータ(34、36)は、電荷注入、オフセットおよびコンデンサ不整合によるエラーを回避するために、デジタル的に較正される。コンデンサ不整合の程度は、較正されるべき各ステージのための測定のシーケンスを通じて決定される。測定がなされた後、その値は、オフセットおよびコンデンサ不整合によるエラーをキャンセルするために、その後の変換の間に用いるべくメモリ装置に記憶される。
Description
【発明の詳細な説明】
デジタル的に較正された出力を備えたアルゴリズムA/Dコンバータ
発明の背景
1、発明の分野
この発明は、アナログ−デジタル(A/D)コンバータに関する。さらに詳細
には、この発明は、出力デジタルワードのための対応するビットをそれぞれ作り
出すステージの縦続列を有するアルゴリズムタイプのようなコンバータに関する
。このようなステージの縦続列は、ときどき、パイプライン化された配置として
参照される。
2、先行技術の説明
種々の種類のアルゴリズム・コンバータが長年の間にその技術分野において知
られて来た。パイプライン化されたアルゴリズムA/Dコンバータは、フィリッ
プ・イー・アレンおよびダグラス・アール・ホルベックによるテキストブック“
CMOSアナログ回路デザイン”(1987)の第565頁以降において説明さ
れている。この出願の図1は、この説明から複製され、そして、縦続された1ビ
ット/ステージ・コンバータを示している。このコンバータは、それぞれの比較
器によって決定されるような各ステージに対する入力電圧の符号に応じて各ステ
ージに対する入力電圧が2倍にされかつ正または負のVREFと組み合わされるア
ルゴリズムを実行する。パイプライン化されたステージのための信号は、クロッ
クコントロール下のステージの間でシフトされ、そして、シフトの間の遅延は、
ブロック“Z-1”によって図式的に表わされる。
このようなアルゴリズム・コンバータは、比較器オフセット電圧
と、アルゴリズムを実行するのに一般的に用いられるトランジスタ・スイッチか
らの電荷注入とを含むいくらかのエラー源を有している2を乗算する機能は、一
対の切り換え可能なコンデンサを用いた。増幅器によって好都合に達成される。
このような増幅器回路でもって、ゲインエラーがコンデンサ不整合によって引き
起こされ、その結果として微分的な非直線性(DNL)および積分的な非直線性
(INL)を生じる。比較器オフセットおよび電荷注入からのエラーは、いわゆ
る1.5ビット/ステージ・アルゴリズムを実行するためにステージごとに2つ
の比較器を用いる修正されたアルゴリズムを採用することによって、本質的には
中和することができる。しかし、コンデンサ不整合によるエラーは、そのような
アルゴリズムによっては低減されない。この発明は、そのようなコンバータにお
けるコンデンサ不整合からのエラーを、デジタル領域において総て機能する自己
較正技術によって、できるだけ小さくすることに向けられている。
発明の概要
以下に詳細に説明されるべきであるこの発明の実施例においては、較正される
べき各ステージのためのコンデンサ不整合の程度を決定するために、測定がコン
バータでなされる。実用性の理由のために、最上位のビット(MSB)のステー
ジの幾つか(おそらくは、ちょうど1つ)を較正することのみが一般的には必要
である。説明されている好ましい実施例においては、コンバータの残りのステー
ジは、測定されるべきステージのためにデジタル較正データを展開するのに用い
られる。この較正データは、コンバータのメモリ形成部分に記憶される。記憶さ
れたデータは、その後、コンデンサ不整合によるエラーをキャンセルするために
各変換の間に用いられる。
図面の簡単な説明
図1は、先行技術のパイプライン化したアルゴリズムA/Dコンバータをを示
すブロック図である。
図2は、この発明に従ったコンバータの1つのステージの基本的な要素を示す
回路図である。
図3は、この発明に従ったマルチステージ・コンバータ・システムを示すブロ
ック図である。
図4は、上記コンバータのシーケンシャルステージのためのクロック波形を示
すタイミング図である。
図5Aおよび図5Bは、そのオペレーションの間におけるコンバータのシング
ルステージの2つのコンデンサのための2つの回路構成を示している。
図6Aおよび図6Bは、較正されるべきコンバータステージの或る特徴につい
て測定がなされているときの図5Aおよび図5Bの2つのコンデンサのための2
つの回路構成を示している。
そして、図7Aおよび図7Bは、較正されるべきコンデンサステージの別の特
徴の測定を達成するための回路構成における図6Aおよび図6Bのコンデンサを
示している。
好ましい実施例の詳細な説明
図2は、この発明に従ったパイプライン化されたコンバータのシングルステー
ジの要素を示している。このようなステージの列は、高分解能を得るために、完
成したコンバータにおいては縦続されている。1つのステージの出力は、次のス
テージに対する入力として役立つ。
図2のシングルステージのための入力電圧VINは、それぞれの電圧V1(正)と
V2(負)との比較のために、2つの比較器10、12
に接続されている。比較器10のデジタル出力D+は、もしVINがV1よりも大き
ければ“1”であり、そうでなければ、D+はゼロである。他方の比較器12の
デジタル出力D−は、もしVINがV2よりもさらに負であれば“1”であり、そう
でなければ、D−はゼロである。
また、入力電圧VINは、2つのスイッチ14、16のそれぞれのポジション1
において入力端子に向けられている。また、これらのスイッチは、スイッチが基
準電圧VREFおよび−VREFを含むステージ回路の他の接続点に接続されるポジシ
ョン2、3、4を有している。コンバータの適切なオペレーションのためには、
正の比較器電圧V1はゼロよりも大きくかつVREF/2よりも小さくなければなら
ず、そして、負の電圧V2は−VREF/2とゼロとの間でなければならない。V1お
よびV2の正確さは、コンバータの機能において重要ではない。好都合なために、
V1はVREFの2分の1であってよく、そして、V2は−VREFの2分の1であってよ
い。
1対のコンデンサ20、22は、オペアンプ24の反転出力に接続されている
それらの右側プレートを有している。その左側プレートは、スイッチ14、16
によってスイッチ・ポジション1〜4において端子にそれぞれ接続可能である。
第1のスイッチ14は、VIN、VOUT、VREFおよびアースから選択し、また、第
2のスイッチ16は、VIN、VREF、−VREFおよびアースから選択する。VREF
およびV-REFは、それぞれ正および負のフルスケール電圧であり、そして、典型
的には外部電源から供給される。スイッチ18は、オペアンプ24の反転入力と
その出力電圧VOUTとの間に接続されている。
図3は、図2に開示されているような個々のステージが完成され
たコンバータの一部として縦続されているコンバータ・システムをブロック形式
で示している。この実施例は、呈示を簡単化するために、3ビットの出力だけを
作り出すための手段を含んでいる。商業的に実施可能なコンバータは全部で12
または14となるようなもっと多くのステージを含むであろうことが理解される
だろう。しかし、そのようなより以上のステージに適用可能な一般的な原理は、
簡単化された配置においても同一である。
3ビットのコンバータの最初の2つのステージ34、36は、図2に示されて
いるのと同一のものであり、そして、簡単化のために、ブロック形式で示されて
いる。しかし、第3の(そして、最後の)ステージは、それ以上のステージが入
力信号を供給されるために存在しないので、比較器である。スイッチ・コントロ
ール・ロジック32は、比較器信号D+およびD−を受け取り、そして、説明さ
れるように、スイッチ14、16のポジションをコントロールするためのコント
ロール信号を作り出すために、最初の2つのステージに結合されている。
コンバータ入力電圧VIN(1)は、第1のステージ34に供給される。第1の
ステージの出力電圧VOUT(1)は、第2のステージ36の入力に供給され、そ
して、VIN(2)として識別される。最後のステージは、その入力が第2のステ
ージの出力に接続されている比較器38である。
第1のステージの比較器10、12のデジタル出力D+(1)およびD−(1
)は、シフトレジスタ40、42、44および46によって2つのクロック位相
までシフトされる。第2のステージの比較器のデジタル出力D+(2)およびD
−(2)は、シストレジスタ48および50によって1つのクロック位相までシ
フトされる。
シフトレジスタ42の出力a2、シフトレジスタ48の出力a1および比較器38
の出力a0は、デジタル減算器54の1つの入力ポートに接続されている。シフ
トレジスタ42の出力b2、シフトレジスタ48の出力b1およびインバータ52
の出力b0は、デジタル減算器54の別の1つの入力ポートに接続されている。
デジタル減算器54は、4ビットで表されるデジタル出力c3c2c1c0を作り出
すために、デジタル数a2a1a0からデジタル数b2b1b0を減算する。減算器5
4の最後の2ビットc1およびc0は、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)5
6の入力に接続され、そして、以下に説明されるように、プリオペレーション・
較正サイクルの一部としてRAMに転送される。較正ロジック58は、減算器5
4のデジタル出力c3c2c1c0およびRAM56のデジタル出力d1d0を取り込
み、そして、最終のデジタル出力q2q1q0を発生する。較正ロジック58は、
シフトレジスタ42および44の出力a2およびb2によってコントロールされる
。
上述の3ビットA/Dコンバータは、第1のステージ34、第2のステージ3
6および比較器38のオペレーション位相と共にその波形が図4に示されている
クロックパルスによってコントロールされる。各ステージのオペレーションは、
2つの位相、サンプリング位相および2倍位相を有している。図4においてサン
プルとして示されているサンプリング位相の間には、ステージがその入力に現れ
る入力電圧をサンプリングする。図2を参照すれば、サンプリング位相の間には
、スイッチ18が閉じられ(オン)、そして、スイッチ14および16が両方と
もポジション1にある。
サンプリング位相の間における第1のステージ34の回路構成は、図5Aに幾
分簡単化されて示されている。スイッチ14、16およ
び18は明瞭さのために省略され、そして、その結果としての構成だけが示され
ている。この時点においては、比較器10および12は、対応するデジタル出力
D+(1)およびとD−(1)を作り出すために、電圧VIN(1)をV1およびV2
と比較する。図4においてX2として示されている2倍位相の間には、ステージは
、図5Bに示されているような回路構成でもって、サンプリング位相の間にサン
プリングされた入力電圧VIN(1)に2を乗算し、そして、その結果としての出
力からVREF、−VREFまたは0を減算する。2倍位相の間には、スイッチ18は
開き(オフ)、スイッチ14はポジション2に置かれ、そして、スイッチ16は
その前のサンプリング位相において決定されたD+(1)およびD−(1)の値
に応じてポジション2、3または4に置かれる。図3におけるスイッチ・コント
ロール・ロッジック32は、出力D+(1)およびD−(1)を取り込み、そし
て、2倍位相の間に次のようにしてスイッチ16のポジッションをコントロール
する:
スイッチ16が2、3および4に置かれるときには、VREF、−VREFおよびア
ースは、コンデンサ22の左側のプレートにそれぞれ接続される。もしコンデン
サ20および22が同一の値を有し、そして、もしスイッチ18が電荷注入を起
こさなければ、2倍位相の最終における第1のステージ34のその結果としての
出力電圧VOUT(1)は、
VOUT(1)=2VIN−D+(1)VREF+D−(1)VREF (1)
であることを示すことができる。この出力電圧は、そのときに同一の方法で信号
を処理する第2のステージ36の入力に現れ、デジタル出力D+(2)およびD
−(2)を作り出し、そして、比較器38のために出力電圧VOUT(2)を作り
出す。
もし第1のステージ34および第2のステージ36の両方が理想的であれば(
すなわち、同一のコンデンサ20および22であり、そして、電荷注入がなけれ
ば)、より容易な理解のために十進数の値に変換されたときに、次の関係が入力
電圧VIN(1)とコードc3c2c1c0との間に得られる。
上記表から、上記関係が理想的な3ビットのA/Dコンバータと同様であるこ
とは明らかである。これは、7が加えられ、そして、
その結果が0から7まで並んでいるコードを得るために2で割算されている3番
目の欄において一層明らかである。
上記表における理想的なA/D変換特性は、もしコンデンサ20および22の
値が同一ではないか、または、スイッチ18が開かれるときに電荷注入が生じれ
ば、乱される。例えば、第1のステージ34におけるコンデンサ20が値Cを有
し、また、第1のステージにおけるコンデンサ22が値(1+α)Cを有し、そ
して、第1のステージにおけるスイッチ18がターンオフされるときにオフセッ
トVOSが出力電圧VOUT(1)に加えられると考えなさい。分析を簡単化するため
に、第2のステージは理想的であると想定されてもよい。
この場合における2倍位相の最終での第1のステージ34の出力電圧VOUT(
1)は、
VOUT(1)=(2+α)VIN(1)−D+(1)(1+α)VREF+D−(1)
(1+α)VREF+VOS (2)
である。この出力電圧は、第2のステージ36の入力に現れ、そして、第2のス
テージ36および比較器38によって2ビットのデジタル値に変換される。しか
し、式(1)における理想的な場合に較べて、式(2)における電圧は、コンデ
ンサ20と22との間におけるコンデンサ不整合により、そして、オフセット電
圧 VOSにより、誤ったものである。したがって、第2のステージ36の入力に
おいて導入されたエラーVerrorの量は、式(2)における実際の電圧から式(1
)における理想的な電圧を減算することによって計算されることができ、次のよ
うな結果が得られる :
Verror=αVIN(1)−D+(1)αVREF+D−(1)αVREF+VOS
(3)
後に説明されるように、値VOSおよびαは、A/Dコンバータの正常なオペレ
ーションに先行する“較正”サイクルの間に測定され、そして、図3におけるR
AM56に記憶される。したがって、値VOSおよびαは、変換の正常なオペレー
ションが始まるときには、すでに知られている。α、VOS、D+(1)およびD
−(1)のデジタル値はすべて知られているので、式(3)の右側の2番目、3
番目および4番目の項は、従来の論理回路の場合のように、簡単に計算される。
また、残りの項αVIN(1)は、デジタルコードa2a1a0およびb2b1b0から
得られるVIN(1)のデジタル値をαにデジタル的に乗算することによって、計
算されることができる。この方法でもって得られたαVIN(1)のデジタル値は
式(2)におけるエラーによりVIN(1)を算定するエラーにもかかわらず正確
であることが示されることができる。したがって、式(3)におけるエラーVerr
orは、較正ロジック58によって正確に計算されることができる。次いで、Verr
orのデジタル値は、較正ロジック58によって非較正出力c2c1c0から減算さ
れて、正確な3ビットのデジタルコードq2q1q0を生じさせる。
上述のように、この発明を実施するA/Dコンバータは、このコンバータが変
換を達成するためにオペレーションされる前に、まず“較正”サイクルを行い、
このサイクルの間には、VOSおよびαの値は、較正されるべく各ステージのため
に測定され、そして、RAM58において記憶される。再び、簡単化のために、
第1のステージ34のVOSおよびαの値を測定するための較正サイクルが説明さ
れ、また、第2のステージは理想的であると想定されている。所望されるような
いかなるそれ以上のステージも、同一の方法において実行されるであろう。
まず、第1のステージ34のオフセットVOSは、第1のステージにおけるコン
デンサ20および22の左側のプレートがアースに接続されるように、スイッチ
14および16の両方をポジション4に置き、そして、スイッチ18を閉じる(
オン)ことによって測定される。その結果としての構成は、図6Aに示され、そ
こでは、比較器およびスイッチは明瞭さのために省略されている。第2の位相の
間には、スイッチ18は開かれ、オフセット電圧VOSとして表われる電荷注入が
生じる。スイッチ14はポジション2にシフトされ、そして、スイッチ16はポ
ジション4にシフトされて、図6Bにおける構成が与えられる。この場合におけ
る出力電圧VOUT(1)は正確にVOSである。これは第2のステージに入力とし
て現れるので、VOSは第2のステージ36および比較器38から成る2ビットの
A/Dコンバータによって2ビットのデジタル値に変換される。この結果は、前
述のようにA/Dコンバータの正常なオペレーションの間に用いられるためにR
AM56に記憶される。
次に、コンデンサ不整合エラーαが測定される。また、この測定は2つの位相
においてなされる。第1の位相の間には、図7Aに示されるように、コンデンサ
20の左側のプレートはVREFに接続され、また、コンデンサ22のそれはアー
スに接続される。再び、比較器およびスイッチは明瞭さのために省略されている
。第2の位相(図7B)の間には、スイッチ18は開かれ、コンデンサ22の左
側のプレートはVREFに接続され、そして、コンデンサ20のそれはVOUT(1)
に接続される。この場合における出力は、
VOUT(1)=αVREF+VOS (4)
によって与えられる。スイッチ18はそれがターンオフされるときに以前と同一
の量の電荷を注入するから、出力電圧はここでは以前
のように同一のVOSを含んでいる。この電圧は、第2のステージ36および比較
器38から成る2ビットのA/Dコンバータによって2ビットのデジタル値に変
換される。次いで、αVREFの値は、RAM56にすでに記憶されていた以前に
決定されたVOSの値をこの値から減算することによって、簡単に決定されること
ができる。その結果としてのαVREFのデジタル値は、前述のようにA/Dコン
バータの正常なオペレーションの間に用いられるために、RAM56に記憶され
る。VOSおよびαVREFは、最終の較正要素を決定するためのそれ以上の計算の
ためにアクセスし得るように、対応するメモリ・ロケーッションに記憶される。
2ビットの測定信号(c1c2)のRAM56への転送、これらの数に関する計
算および較正データ(d1d0)の較正ロジック58への転送は、詳述には示され
ていないが、較正ロジック58にか、あるいは、RAM56と関連する別個のロ
ジックにか組み込まれてよい従来の処理ロジックによって、コントロールされる
。この処理は種々の方法において実行されることができる。例えば、VOSおよび
αのデジタル値は、前述のような較正サイクルの間に、RAM56の第1および
第2のロケーションにそれぞれ直接に記憶されてよい。
先ず、較正サイクルのオフセット測定部分の間には、最後の2ビットの測定値
(c1c0)はオフセットVOSのデジタル表示である。この量はRAM56の第1
のロケーションに2ビットのデジタルデータとして記憶される。サイクルの不整
合(α)測定部分の間には、最後の2ビットの測定値(c1c0)は、式(4)に
関連して前述したように、αVREF+VOSのデジタル表示に対応している。較正
ロジツクは、RAM56の第1のロケーションにすでに記憶された
この値VOSから減算される。これは、その結果として2ビットのデジタル値αVREF
を残す。この2ビットのデジタルデータはRAM56の第2のロケーション
に記憶される。
正常な変換シーケンスの間には、較正ロジックはRAM56の第1のロケーシ
ョンをアドレスする。この時点では、出力(d1d0)はVOSに対応した値である
。較正ロジック58は、(c3c2c1c0)からこの値(d1d0)を減算して、式
(2)において与えられたVOUT(1)からVOSを効果的に取り除く。このよう
にすれば、その結果としての新しいデジタル出力(c3c2c1c0)′はオフセッ
トを含んでいない。次に、較正ロジック58はRAMの第2のロケーションをア
ドレスする。この時点では、出力(d1d0)はαVREFに対応する値である。デ
ジタル較正ロジック58は、D+(1)−D−(1)の遅延した値である(a2
−b2)を値(d1d0)に乗算する。その結果であるα(a2−b2)VREFは(c3
c2c1c0)・から減算されて(c3c2c1c0)″を生じる。このオペレーショ
ンは、式(2)において与えられた出力からエラー−D+(1)αVREF+D−
(1)αVREFを取り除く。最後に、較正ロジックは、(c3c2c1c0)″を(
d1d0)にデジタル的に乗算して、VIN(1)/VRETを算定する。その結果で
あるαVIN(I)は(c3c2c1c0)″から減算され、そして、最後のビットは
切り捨てられて3ビットのデータq2q1q0を与える。式(2)における総ての
エラーが上述のプロセスにおいて取り除かれるので、q2q1q0がVIN(1)の
正確なデジタル表示を表していることが認められるだろう。
ここに開示されている技術は、どのような周期的なまたはパイプライン化され
たアルゴリズムコンバータにも適用されることができ、
変換の間に余分なクロックサイクルを必要せず、そして、追加のアナログ回路も
必要としない。ステージごとに1つの演算増幅器と2つのラッチとを用いるので
、アナログ回路は異常に簡単である。1.5ビット/ステージ・アルゴリズムは
、デジタル領域において簡単な自己較正を可能にする。デジタルエラー訂正およ
び較正の組み合せは、コンデンサ不整合、電荷注入、オフセットを含む比較器エ
ラーおよびノイズによるいかなるエラーでも取り除く。1/4フルスケールまで
の比較器決定エラーは訂正されるので、比較器は、オペアンプが十分に整定する
前に、ストローブされることができる。したがって、比較器決定遅延は変換時間
に割り込まない。さらに、簡単なラッチが比較器として用いられることができる
。これらの理由のために、ここで呈示されたコンバータは、オペアンプ整定時間
によってのみ制限される最大可能率においてオペレーションされることができる
。
この2つの比較器アルゴリズムにおいては、オフセットを含むどのような比較
器エラーも排除され、そして、電荷注入はオフセット電圧に関連した全体の入力
としてのみ現れる。しかし、コンデンサ不整合は、DNLおよびINLに増大を
与え、そして、デジタル較正によって訂正されなければならない。全差動構成が
実際には好ましいけれども、シングル・エンデット・バージョンが簡単化のため
に示されている。全差動回路においては、VREFと−VREFとの間の整合は必要で
はない。
この発明の好ましい実施例がこゝに詳細に開示されているけれど、これは、こ
の発明の説明の目的のためであり、そして、こゝに請求されている発明をさらに
実施するときに多くの変形が当業者によってなされ得ることが明らかであるので
、この発明の範囲の必要な制
限であると解釈されるべきではないことが理解されるべきである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、少なくとも1つのステージが数字的機能を達成するために切り換え可能な2 つのコンデンサを有する回路を用い、そして、コンデンサ不整合によるエラーが コンバータ出力をデジタル的に較正することによって回避されるようにしている タイプのアルゴリズムA/Dコンバータを較正する方法であって、 コンデンサ不適合の測定を展開するために前記回路における前記コンデンサを 2つの異なった構成において接続することによって、前記1つのステージを動作 させることと、 前記不整合の測定のデジタル表示を作り出すことと、 変換が実行されるときにはその較正を達成するために、前記デジタル表示を利 用すべく前記コンバータのデジタル出力を供給するためにメモリ装置に前記デジ タル表示を記憶することとのステップから成る方法。 2、前記数学的機能は電圧値を一定値で乗算することである請求の範囲第1項の 方法。 3、前記機能は前記電圧値を2倍することである請求の範囲第2項の方法。 4、その1つのステージとして役立つ前記回路でもってマルチステージA/Dコ ンバータを較正するのに用いるための請求の範囲第1項の方法であって、 前記コンバータの少くとも1つの低有効性ビット・ステージに前記回路から出 力電圧を供給することと、前記デジタル表示を展開するのに用いるための対応す るデジタル信号をそこから展開することとのステップを含むプロセスによって、 前記デジタル表示が作り出 される方法。 5、マルチステージA/Dコンバータの1つのステージを較正するのに用いるた めの請求の範囲第1項の方法であって、 前記1つのステージは、 のようにして、ステージ入力信号VINを異なる電圧レベルV1およびV2と比較する ための2つの比較器を含んでいる方法。 6、前記1つのステージを動作させることによって、オフセット電圧のデジタル 表示を展開させることと、 前記コンバータの前記デジタル出力を得るために用いられるように、前記メモ リ装置に前記オフセット電圧表示を記憶することとのステップを含む請求の範囲 第1項の方法。 7、数学的機能を提供するために2つの回路構成に切り換え可能である一対のコ ンデンサを備えた少くとも1つのステージを有し、そして、そのようなステージ におけるコンデンサ不整合がコンバータ出力信号におけるエラーを展開すること ができるアルゴリズムA/Dコンバータであって、 コンバータのデジタル出力を受け取るための出力レジスタと、 前記コンバータの一部を形成するメモリ手段と、 前記少なくとも1つのステージのためのデジタル較正データを含みかつ前記コ ンデンサ不整合の程度を表す前記メモリ手段と、 コンバータのための較正された最終出力信号を提供するために、 前記出力レジスタにおける出力信号と共に前記メモリ手段からのデータを利用す るための手段とをさらに有するアルゴリズムA/Dコンバータ。 8、前記メモリ手段は、オフセット電圧を表しかつ前記較正された最終の出力信 号を供給するのに用いられるべきデジタル較正データを含んでいる請求の範囲第 7項におけるような装置。
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