JPH11194841A - フローティング基準電圧を用いたシャント電圧レギュレータ - Google Patents

フローティング基準電圧を用いたシャント電圧レギュレータ

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JPH11194841A
JPH11194841A JP10299749A JP29974998A JPH11194841A JP H11194841 A JPH11194841 A JP H11194841A JP 10299749 A JP10299749 A JP 10299749A JP 29974998 A JP29974998 A JP 29974998A JP H11194841 A JPH11194841 A JP H11194841A
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Mostafa R Yazdy
アール ヤズディー モスタファ
Harry J Mcintyre
ジェイ マッキンタイアー ハリー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フローティング基準電圧発生器を使用して温
度の影響を受ける無調整の電源から温度の影響を受けな
い調整された出力電圧を提供することである。 【解決手段】 本発明のシャント電圧レギュレータは、
電圧を調整するための調整手段と、調整すべき電圧に関
してフローテイング出力電圧を発生する基準電圧発生器
を備えている。調整すべき電圧は電源として前記基準電
圧発生器と前記調整手段に電気的に接続されている。前
記基準電圧発生器のフローティング出力電圧は調整すべ
き電圧より低い固定電圧である。前記調整手段は調整す
べき電圧を調整するための基準電圧としてフローティン
グ出力電圧を使用するように構成され、配置されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般には電圧レギュレ
ータ、より詳細には電源の電圧に関してフローティング
出力電圧を発生する基準電圧発生器を使用するシャント
電圧レギュレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】図1に従来のシャント電圧レギュレータ
10を示す。図1において、電源V1はたとえば15ボ
ルトの電圧を発生する。この電圧は温度または負荷の変
動のためおそらくある程度変動するであろう。定電圧を
生成するには、シャント電圧レギュレータ10が必要で
ある。この例では、電圧を調整する(定電圧を生成す
る)ほかに、CMOS回路へ5ボルトの定電圧を供給す
るために、出力電圧VOUT1もまた5ボルトに下げられ
る。
【0003】シャント電圧レギュレータ10は基準電圧
発生器14、演算増幅器16、MOSFETトランジス
タT1 、および2つの抵抗器R2 ,R3 から成ってい
る。基準電圧発生器14の負端子はアースされており、
正端子は演算増幅器16の反転(−)入力に接続されて
いる。演算増幅器16の出力はトランジスタT1 のゲー
トに接続されている。トランジスタT1 のソースはアー
スされており、そのドレインは出力ノード12に接続さ
れている。演算増幅器16の非反転(+)入力は抵抗器
2 を介して出力ノード12に接続されているほか、抵
抗器R3 を介してアースされている。さらに、電源V1
は抵抗器R1 を介して出力ノード12に接続されてい
る。
【0004】図1において、ノード12の出力電圧V
OUT1は、 VOUT1=(R2 +R3 )I1 =〔(R2 +R3 )V3 /R3 〕 =(1+R2 /R3 )V3 である。また、演算増幅器16は線型モードで使用され
るので、その非反転入力の電圧は基準電圧発生器14の
出力電圧に等しい反転入力の電圧に等しく設定される。
基準電圧発生器14は1ボルトの基準電圧VR を発生す
る。従って、演算増幅器16の反転入力および非反転入
力の電圧は1ボルトに等しい。従って、 V3 =VR であるので、 VOUT1=(1+R2 /R3 )V3 =(1+R2 /R3
R である。
【0005】上の関係式は、シャント電圧レギュレータ
10が入力電圧V1 から独立した、基準電圧発生器14
からの基準電圧VR に比例する出力電圧VOUT1を維持す
ることを示している。シャント電圧レギュレータ10は
出力電圧VOUT1を調整し、かつ電源のどんな電圧変動も
補償する。
【0006】たとえば、もし電源V1 が15ボルトから
16ボルトへ変化すれば、出力電圧VOUT1は増加に傾
く。出力電圧VOUT1が一時的に変化すると、演算増幅器
16の非反転入力の電圧が増加する。演算増幅器16の
2つの入力間の差はトランジスタT1 のゲート電圧を増
加させ、その結果トランジスタT1 および抵抗器R1
ら引き出される電流が増加する。トランジスタT1 およ
び抵抗器R1 の電流の増加はノード12の電圧を低下さ
せるであろう。これは、電圧V1 、従って出力電圧V
OUT1が元の値に戻るまで続く。
【0007】適当なR2 とR3 を選択することによっ
て、所望の出力電圧VOUT1を選択することができる。た
とえば、図1では、ノード12の出力電圧を5ボルトに
設定するようにR2 とR3 が選択されている。この回路
の場合、基準電圧発生器14の基準電圧VR は温度の影
響を受けないので、出力電圧VOUT1もまた温度の影響を
受けない。
【0008】一般に、シャント電圧レギュレータは、基
準電圧発生器を使用して演算増幅器の反転入力と非反転
入力に固定電圧を生成し、出力ノードに固定電圧を発生
する。しかし、CMOS処理、詳細にはP型基層CMO
S処理が普及したので、基準電圧発生器はP型基層CM
OS技術で作られたバイポーラ・トランジスタを使用し
て設計することが望ましい。P型基層CMOS技術でバ
イポーラ・トランジスタを作る方法はこの分野で周知で
ある。依然として、P型基層CMOS技術で作られたバ
イポーラ・トランジスタを用いて基準電圧発生器を設計
する方法は電源に関して温度の影響を受けない基準電圧
を生成する。
【0009】電源電圧の過渡的変動は基準電圧発生器の
出力を変化させる(フローティングさせる)。典型的な
電圧発生器は集積回路のアースに関して基準電圧を発生
するように設計されており、従って電源電圧または温度
が変化しても、その電圧は実質上一定である。
【0010】P型基層CMOS技術で生成された基準電
圧がフローティング電圧である理由は、P型基層CMO
S技術で作られたバイポーラ・トランジスタがPNPト
ランジスタであるからである。アースに関して基準電圧
を生成するには、N型基層CMOS技術で容易に作るこ
とができるNPNトランジスタが必要である。
【0011】図2に、P型基層CMOS技術で作られた
バイポーラ・トランジスタ20を示す。P型基層CMO
S技術の場合、基層(P型基層)は一般にアースに、ま
たは集積回路に使用された最大負電圧に接続されてい
る。従って、P型基層CMOS技術の場合、バイポーラ
・トランジスタを生成するには、ウェルの中にバイポー
ラ・トランジスタを生成しなければならない。基層がP
型基層であるから、ウェルはnウェルでなければならな
い。それにはバイポーラ・トランジスタがPNPトラン
ジスタでなければならない。この形式の構成では、nウ
ェルはバイポーラ・トランジスタ20のベースBとして
使用され、一方のp+領域はコレクタCとして使用さ
れ、他方のp+領域はエミッタEとして使用される。
【0012】図2において、層22は絶縁体であり、層
24はP型基層CMOSトランジスタのゲートGとして
使用される物質(たとえばアルミニウム)である。トラ
ンジスタ20はバイポーラ・トランジスタとして使用さ
れるので、ゲートGはバイポーラ・トランジスタ20の
機能に影響を及ぼさない5ボルト以上の電圧に接続され
ている。
【0013】図3に、NPNトランジスタで作られた、
1ボルトの固定基準電圧を発生する基準電圧発生器30
のブロック図を示す。基準電圧1ボルトはアースに関し
て生成される。アースの電圧は零に指定されているの
で、基準電圧発生器30の出力電圧VR1は固定の1ボル
トである。
【0014】図4に、PNPトランジスタで作られた、
1ボルトを発生する基準電圧発生器40のブロック図を
示す。基準電圧発生器40は電源V2 に関して固定の1
ボルトの基準電圧を発生する。電源V2 の電圧は一般に
5ボルトであるから、基準電圧発生器40の出力電圧V
R2は5−1=4ボルトである。電源の過渡的変化によっ
て出力電圧VR2が変化するので、基準電圧発生器40の
出力電圧はフローティング電圧である。たとえば、もし
電源の電圧が5.2ボルトへ変化すれば、出力電圧VR2
は5.2−1=4.2ボルトである。
【0015】従って、本明細書において、用語「フロー
ティング電圧」は、電源の電圧より低い固定電圧であ
り、従って電源の過渡的変化に追従する電圧を意味す
る。また本仕様書において、「フローティング基準電圧
発生器」は、電源の電圧とフローティング出力電圧との
差が温度変動の影響を受けない固定電圧であるようなフ
ローティング出力電圧を発生する基準電圧発生器を意味
する。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、フロ
ーティング基準電圧を使用するシャント電圧レギュレー
タを提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明は、調整すべき電
圧に関してフローティング出力電圧を発生する基準電圧
発生器を使用するシャント電圧レギュレータを開示す
る。フローティング出力電圧は調整すべき電圧より低い
固定電圧である。本発明のシャント電圧レギュレータ
は、調整すべき電圧を基準電圧発生器およびシャント電
圧レギュレータに対する電源として使用しながら、調整
すべき電圧を調整する。
【0018】
【実施例】図5は、P型基層CMOS技術で作られ、フ
ローティング基準電圧発生器を使用するシャント電圧レ
ギュレータを設計する本発明の最初のアプローチの回路
図50を示す。
【0019】本発明は、電圧(たとえば15ボルト)を
発生する電源VP から電圧VDD(たとえば5ボルト)を
発生し、調整する目的で設計される。ノード52の電圧
DDは集積回路(マイクロチップ)の全回路のための5
ボルト電源として使用される。電圧VDDは全マイクロチ
ップのための電源として使用されるので、基準電圧発生
器のパワー入力にも接続されている。もしシャント電圧
レギュレータ50が存在しなければ、電源VP のどんな
電圧変動も電圧VDDを変動させるので、基準電圧発生器
を含む全マイクロチップに供給される電力も同様に変動
するであろう。従って、シャント電圧レギュレータ50
は基準電圧発生器への電力である電圧V DDを調整しなけ
ればならない。
【0020】以下、VDDはシャント電圧レギュレータが
調整しようとしている電圧であるので、「出力電圧
DD」と呼ぶことにする。また、ノード52は出力電圧
DDを与えるノードであるので、「出力ノード」と呼ぶ
ことにする。
【0021】シャント電圧レギュレータ50は、演算増
幅器54、MOSFETトランジスタT2 、2つの抵抗
器R4 ,R5 、およびフローティング基準電圧発生器5
6から成っている。演算増幅器54の非反転入力は抵抗
器R4 を介して出力ノード52に接続されており、さら
に抵抗器R5 を介してアースに接続されている。演算増
幅器54の出力はトランジスタT2 のゲートに接続され
ている。トランジスタT2 のドレインは出力ノード52
に接続されており、そのソースはアースに接続されてい
る。基準電圧発生器56のフローティング電圧VFRは演
算増幅器54の反転入力に接続されている。さらに、電
力を供給するため、出力ノード52は基準電圧発生器5
6のパワー入力PIN1 と、演算増幅器54のパワー入力
IN2 に接続されている。
【0022】一般に、基準電圧発生器の電源は調整する
必要がある電圧(VDD)から独立している。しかし、本
発明においては、フローテイング基準電圧発生器56の
性質のために、以下の理由で、シャント電圧レギュレー
タ50の出力電圧VDDを基準電圧発生器56の電源とし
て使用する必要がある。
【0023】ノード58の電圧は出力電圧VDDの値を決
定する上で重要である。ノード58に加わる固定電圧に
よって、抵抗器R4 とR5 を通って流れる固定電流I2
の量が決まる。ノード59は出力ノード52に直接接続
されているので、固定電流I 2 は抵抗器R4 およびR5
の端子間に固定電圧降下を生じさせ、この電圧降下がノ
ード52における出力電圧VDDを決定する。
【0024】一般に、ノード58に固定電圧を加えるた
め固定基準電圧が使用されるが、基準電圧発生器56は
P型基層CMOS技術で作られているので、そのパワー
入力PIN1 とそのフローティング電圧VFRの間に固定の
フローティング基準電圧を発生する。演算増幅器54は
線型モードで動作する。従ってその非反転入力はその反
転入力と同じ電圧を有する。その結果、非反転入力はV
FRに等しい電圧を有する。VFRはフローティング電圧で
あるので、ノード58の電圧は固定電圧でない。そのた
め抵抗器の端子間の電圧降下が変動する。抵抗器R4
端子間に固定電圧を与える解決策は、ノード59を基準
電圧発生器56のパワー入力PIN1 に接続することであ
る。出力電圧VDDを調整するために、ノード52をノー
ド59に接続しなければならないので、その解決策は出
力電圧VDDを電源として基準電圧発生器56のパワー入
力PIN1 に接続することである。
【0025】フローティング基準電圧発生器56はその
パワー入力PIN1 とそのフローティング電圧VFRの間に
以下の固定電圧VREF を発生する。 VREF =VDD−VFRREF は、温度変動や、電源およびフローティング基準
電圧の変動に関係のない、固定電圧である。この回路で
は、固定電圧VREF は抵抗器R4 の端子間に伝えられ
る。演算増幅器54の反転入力と非反転入力は等しい電
圧であるので、ノード58の電圧はVREF に等しい。ノ
ード59はノード52に接続されているので、ノード5
9の電圧は出力電圧VDDに等しい。その結果、抵抗器R
4 の端子間の電圧VR4は出力電圧VDDとフローティング
電圧VFRとの差である。すなわち、 VR4=VDD−VFR=VREF 従って、抵抗器R4 の端子間の電圧VR4は固定電圧であ
る。
【0026】抵抗器R4 の端子間の固定電圧VREF は固
定電流I2 を発生する。この固定電流I2 は2つの抵抗
器R4 とR5 の端子間に固定電圧降下を生じさせる。こ
の電圧降下によって出力電圧VDDが決まる。もし電源V
P の電圧が変動すれば、電源VP の電圧変動によって生
じた過剰電流はトランジスタT2 を通って流れる。トラ
ンジスタT2 の機能については図6の説明の際により詳
しく説明する。
【0027】しかし、図5の回路50は本来の解決策で
はない。一般に、フローティング基準電圧発生器54の
出力電圧VFRは約4ボルトである。演算増幅器の入力共
通モード範囲限界のために、4ボルトの電圧を演算増幅
器54のどちらの入力にも接続することができない。
【0028】図6に、図5の回路50を改良した回路6
0を示す。図6において、図5の回路50の要素と同一
で、かつ同一目的を果たすすべての要素は同じ参照番号
で示してある。
【0029】図6において、基準電圧発生器56からの
出力電圧VFRはnチャンネルMOSFET(NMOS)
トランジスタT3 を介して演算増幅器54の非反転入力
に接続されている。トランジスタT3 はVFRを下げて演
算増幅器54の入力要求に一致させるためレベルシフタ
ーとして使用される。電圧VFRはトランジスタT3 のゲ
ートに接続されており、トランジスタT3 のソースは演
算増幅器54の非反転入力に接続されており、トランジ
スタT3 のドレインは出力電圧VDDに接続されている。
【0030】トランジスタT3 はそのゲート電圧VG3
ゲートとソース間電圧VGS3 だけシフトダウンしてソー
ス電圧VS3にする。従って、ソース電圧VS3すなわちシ
フトダウンされた電圧は、 VS3=VFR(shift down)=VG3−VGS3 である。VG3=VREF であるから、 VS3=V(-) =VFR(shift down)=VFR−VGS3 である。
【0031】演算増幅器54は負帰還のため線型モード
で動作するので、演算増幅器54の反転入力と非反転入
力は等しい電圧を有する。従って、演算増幅器54の非
反転入力の電圧V(+) は、 VS3=V(+) =VFR(shift down)=VFR−VGS3 である。
【0032】図5の回路50の場合、ノード58はVFR
に等しい電圧をもつ必要がある。同じ理由で、ノード6
2の電圧はVFRに等しくなければならない。従って、ノ
ード62に接続する前に、演算増幅器54の非反転入力
の電圧をVFRの元の値までシフトアップしなければなら
ない。しかし、VFRの値を実質上元に戻すため、レベル
シフト操作は非常に正確でなければならない。
【0033】正確なレベルシフトアップを行うために、
演算増幅器54の反転入力にNMOSトランジスタT4
が接続されており、そのゲートがノード62に接続され
ており、そのドレインが出力電圧VDDに接続されてい
る。トランジスタT4 のゲートの電圧は、 VG4=VS4+VGS4 である。トランジスタT4 のソースの電圧は演算増幅器
54の反転入力の電圧に等しく、その反転入力の電圧
は、シフトダウン電圧VFR(shift down)に等しいので、 VG4=VFR(shift down)+VGS4 である。VFR−VGS3 をVFR(shift down)に代入する
と、 VG4=VFR−VGS3 +VGS4 である。
【0034】正確なシフトアップを行うために、VGS3
とVGS4 は互いに相殺するように実質上等しくなければ
ならない。等しいVGS3 とVGS4 を得るために、2つの
トランジスタT3 とT4 はNMOSが同じ性質を持つよ
うに選択され、かつ同じ処理を受けるように集積回路の
レイアウト上に互いに接近して置かれている。さらに、
トランジスタT3 とT4 を通って流れる電流は同一でな
ければならない。従って、トランジスタT3 とT4 に同
一電流を与えるため電流ミラー64が使用されている。
【0035】電流ミラー64は3つのMOSFETトラ
ンジスタT5 ,T6 ,T7 を有する。トランジスタ
5 ,T6 ,T7 のゲートは相互に接続されており、ト
ランジスタT5 ,T6 ,T7 のソースはアースされてい
る。トランジスタT5 のドレインはトランジスタT4
ソースに接続されており、トランジスタT6 のドレイン
はトランジスタT3 のソースに説ぞされている。トラン
ジスタT7 のドレインはそのゲートのほかに、抵抗R7
を介して出力電圧VDDに接続されている。電流ミラー6
4においては、トランジスタT5 のドレインの電流I5
とトランジスタT6のドレインの電流I6 は、トランジ
スタT7 のドレインの電流I7 と同一である。従って、
2つのトランジスタT4 とT3 を通って流れる電流I5
とI6 は等しい。
【0036】2つのトランジスタT3 とT4 を同一設計
にし、かつそれらの電流を同一に維持すれば、ゲートソ
ース間の電圧VGS3 ,VGS4 は実質上同じになるであろ
う。その結果、トランジスタT4 のゲートのシフトアッ
プされた電圧VFR′はVFRに実質上等しくなるであろ
う。これにより、抵抗器R4 の端子間の電圧は一定に維
持される。すなわち、 VDD=VFR′=VDD−VFR=VREF (固定電圧) である。従って出力電圧VDDは次式のように固定電圧に
設定されるであろう。 VDD=(R4 +R5 )I2 ここで、 I2 =(VDD−VFR′)/R4 =VREF /R4 である。従って、 VDD=(R4 +R5 )VREF /R4 =(1+R5
4 )VREF である。この回路の場合、VREF は一般に約1ボルトで
あるので、VDDの所望の値を生成するには、2つの抵抗
器R4 とR5 の比は次式と等しくなければならない。 R5 /R4 =VDDの所望の値−1 たとえば、もしVDDが5ボルトにする必要があれば、R
5 とR4 の比は、 5−1=4 にしなければならない。従って、R4 より4倍大きいR
5 を選択すれば、5ボルトのVDDを発生することができ
る。すなわち、 VDD=(1+4)VREF =5(VREF =1ボルトの場
合) である。
【0037】そのほかに、電源VP の電圧の変動によっ
て、あるいは負荷電流(VDDに接続された回路によって
引き出される電流)の変動によって発生した過剰電流を
補償するため、トランジスタT2 は十分な大きさのもの
が選択される。
【0038】動作中、もし電源VP の電圧がたとえば1
5ボルトから16ボルトへ増加すれば、VDDの電圧もま
た一時的にたとえば5ボルトから5.2ボルトへ増加す
る。回路60は、VDDの電圧が実質上5ボルトであると
き、ノード62の電圧が実質上VFRに等しいように設計
されている。しかし、VDDが増加すると、R4 /R5
比によって、ノード62の電圧はVFRより少し低くな
る。このVFRとノード62の電圧との差は演算増幅器5
4の入力に送られ、演算増幅器54の出力電圧を増加さ
せるので、トランジスタT2 の電流と抵抗器R6 の電流
が増加する。抵抗器R6 のより大きな電流はVDDの電圧
を低下させる。この傾向は、VDDの電圧が元の値(所望
の値)に戻る(演算増幅器54の反転入力の電圧がその
非反転入力の電圧に等しくなる)まで続く。
【0039】同様に、もし電源VP の電圧が低下すれ
ば、または負荷電流(VDDに接続された回路によって引
き出される電流)が変化すれば、シャント電圧レギュレ
ータ60は一時的に変化したVDDをその元の値(所望の
値)に戻す。従って、本発明のシャント電圧レギュレー
タ60は、電源の電圧または負荷電流の変動に起因する
DDの電圧変化を調整する。従って、出力電圧は電源の
電圧の変動に関係なく一定のままである。
【0040】さらに、出力電圧VDDは(1+R5
4 )VREF に等しく、かつVREF は温度の影響を受け
ないので、出力電圧VDDもまた温度の影響を受けない。
【0041】結論として、本発明の開示した実施例は、
温度の影響を受けないフローティング基準電圧発生器を
使用して、温度の影響を受ける無調整の電源から温度の
影響を受けない調整された出力電圧VDDを提供する。
【0042】回路50と60は、フローティング基準電
圧発生器と一緒に使用するため独立型回路として作るこ
ともできるし、あるいは共通基層上のフローティング基
準電圧発生器と一緒に集積積回路として作ることもでき
ることに注目されたい。
【0043】また、特許請求の範囲に記載した発明の真
の精神および範囲の範囲の中で、数多くの構造細部の変
更や要素の組合せや配置の変更を行うことができること
に留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のシャント電圧レギュレータを示す図であ
る。
【図2】P型基層CMOS技術で作られたバイポーラト
ランジスタを示す図である。
【図3】アースに関して電圧を発生するNPNトランジ
スタで作られた基準電圧発生器のブロック図である。
【図4】電源に関してフローティング電圧を発生するP
NPトランジスタで作られた基準電圧発生器のブロック
図である。
【図5】フローティング基準電圧発生器を使用するシャ
ント電圧レギュレータを設計する場合の本発明の最初の
アプローチの回路図である。
【図6】フローティング基準電圧発生器を使用する本発
明のシャント電圧レギュレータの好ましい実施例の回路
図である。
【符号の説明】
10 シャント電圧レギュレータ 12 出力ノード 14 基準電圧発生器 16 演算増幅器 20 バイポーラ・トランジスタ 22 絶縁層 24 金属層 30 NPNトランジスタで作られた基準電圧発生器 40 PNPトランジスタで作られた基準電圧発生器 50 本発明のシャント電圧レギュレータの最初のアプ
ローチの回路 52 ノード 54 演算増幅器 56 フローティング基準電圧発生器 58 ノード 59 ノード 60 本発明のシャント電圧レギュレータの好ましい実
施例の回路 62 ノード 64 電流ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハリー ジェイ マッキンタイアー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90034−4014 ロサンゼルス カーディフ アベニュー 3720

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シャント電圧レギュレータであって、 電圧を調整するための調整手段と、調整すべき前記電圧
    に対するフローティング出力電圧を発生する基準電圧発
    生器とを備え、 前記調整すべき電圧は、電源として前記調整手段および
    前記基準電圧発生器に電気的に接続されており、 前記基準電圧発生器のフローティング出力電圧は、前記
    調整すべき電圧より低い固定の電圧であり、 前記調整手段は、前記調整すべき電圧を調整するための
    基準電圧として前記フローティング出力電圧を使用する
    ように構成されて配置されていることを特徴とするシャ
    ント電圧レギュレータ。
JP10299749A 1997-10-30 1998-10-21 フローティング基準電圧を用いたシャント電圧レギュレータ Abandoned JPH11194841A (ja)

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US08/960,783 US5894215A (en) 1997-10-30 1997-10-30 Shunt voltage regulator utilizing a floating reference voltage

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