JPH118519A - 無線周波数増幅器 - Google Patents

無線周波数増幅器

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JPH118519A
JPH118519A JP10127507A JP12750798A JPH118519A JP H118519 A JPH118519 A JP H118519A JP 10127507 A JP10127507 A JP 10127507A JP 12750798 A JP12750798 A JP 12750798A JP H118519 A JPH118519 A JP H118519A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 増幅器の線形性を維持しながら大きなスタン
バイ電流を使用せず複数のRFバンドで効率よく動作で
きるようなRF増幅器を提供すること。 【解決手段】 本発明の無線周波数増幅器は、ベースが
相互に接続された一対の入力トランジスタB5,B6
と、前記B5,B6のエミッタに差分入力信号を与え
る。前記トランジスタB6はダイオード接続される。第
1電流ソースI1を第1トランジスタB6に接続する。
エミッタフォロワ出力トランジスタB3は、負荷Lにそ
のエミッタが結合される。第2トランジスタB5のコレ
クタを前記トランジスタB3のベースに接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、無線周波数(R
F)増幅器に関し、特に例えばハンドヘルドの無線電話
トランシーバのような限られたバッテリ電源電圧の元で
使用されるRF増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】ハンドヘルド(携帯用)の無線電話トラ
ンシーバは、現在900MHZまたは1.8GHzのい
ずれかのバンドで動作している。携帯端末の大きさと重
さを最少にしなければならないので、小型で低電圧(通
常2.7V)のバッテリを使用し、そして動作時間を最
大にするためにバッテリの電流漏れを最少にするような
回路を採用している。
【0003】しかし、このようなトランシーバは、位相
シフトエラーを防止するために、A級線形モードで動作
する最終パワー増幅器の前にRF増幅器段を必要とする
ようなベクトル変調または位相変調の技術を用いてい
る。このような増幅段は、最終パワー増幅器に接続され
るシングルエンドフィルタによる低インピーダンス(通
常50オーム)に1mWの駆動パワーを供給するエミッ
タフォロワをその出力点に用いている。
【0004】RF増幅段を線形なA級領域に維持するた
めに(この領域では駆動電圧のピーク間変動は信号をク
リップしてはならないため)、エミッタフォロワ出力の
トランジスタは飽和したり、あるいはカットオフするこ
とがないようにしなければならない。この目的を達成す
るためには、このようなトランジスタは、ピーク間出力
電流の少なくとも半分に理論的に等しいような大きなd
cスタンバイ電流を流す必要がある。実際のアプリケー
ションにおいては、このスタンバイ電流は非常に大き
い。
【0005】低電圧のバッテリを使用しているために、
このRF増幅器段は、エミッタフォロワの出力用トラン
ジスタのベースに流れる電圧変動の量をピーク間が通常
300mV以下となるように制限している。駆動される
べき負荷がシングルエンドであるために、差分出力をシ
ングルエンド出力に変換するために、空気コアのRF変
圧器あるいは位相シフト回路のような結合装置が必要で
ある。ところが、この結合装置が最適に動作するのは一
個の周波数バンドのみである。したがって、900MH
Zと1.8GHz(あるいは1.9GHz)の両方で同
一のRF増幅器回路が動作することは非常に難しい。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、変圧器を使用することなしに、必要な出力パワー
をシングルエンド負荷に与えることができ、かつ増幅器
の線形性を維持しながら大きなスタンバイ電流を使用せ
ず、複数のRFバンドで効率よく動作できるようなRF
増幅器を提供することである。これにより携帯無線電話
受信機は、例えば900MHZと1.8GHz(あるい
は1.9GHz)のような複数の周波数バンドで動作す
ることができる。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のRF増幅器は、
携帯電話端末のトランシーバ内で使用するのに適し、低
電圧バッテリによりパワーを供給され、前段のミキサま
たはマルチプライヤー段からの入力信号のコレクタ電流
の変動は、バッテリ電圧の極一部に制限される。この制
限された電流変動、即ち前段からの差分信号は、ベース
が互いに結合されている一対の入力用トランジスタのエ
ミッタに与えられる。一対のトランジスタの第1の入力
用トランジスタは、バイアスを両方の入力トランジスタ
に与える第1の低電流ソースと直列にダイオード結合さ
れている。
【0008】第2の入力トランジスタのコレクタは、エ
ミッタフォロワ出力トランジスタのベースに接続され、
そのエミッタが第2低電流ソースに接続される。この2
個の入力トランジスタのエミッタに与えられる差分電圧
は、エミッタフォロワ出力トランジスタのベースで大き
な差分電圧を生成する。このエミッタフォロワ出力トラ
ンジスタのエミッタは、必要なパワーを負荷に与えるこ
とができ、かつ結合変圧器を必要とせず、過剰なスタン
バイ電流を必要とせず、負荷を駆動する十分なパワーを
有するシングルエンド出力を提供する。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は通常2.7Vの低電圧バッ
テリ源を用いた900MHZあるいは1.8GHzのい
ずれかで動作する携帯用無線電話機のトランシーバ内に
採用される従来回路を示す。100は、RFミキサまた
はアナログマルチプライヤー段であり、101は、差分
出力を低インピーダンス負荷Lに結合変圧器T1を介し
て与える一対のエミッタフォロワを示す。この回路は、
900MHZの周波数に適宜同調させた変圧器T1でも
って900MHz用に使用することができ、あるいは差
分変圧器T1として高い周波数である1.9GHzで使
用するようにすることもできる、その理由は同一の変圧
器は、大幅な効率の損失なしには両方の周波数バンドで
使用することはできないからである。
【0010】ミキサとして使用されるよう構成された場
合には、変調中間周波数信号は端子c,dに現れ、ロー
カル発振器信号は端末a,bに与えられ、それによりR
F出力を端末e,fに与える。マルチプライヤーとして
使用されるよう構成された場合には、RF信号は端末c
dに与えられ、制御電圧は端末a,bに与えられ、振幅
変調RF信号は出力端末e,fに与えられる。
【0011】トランジスタB22,B23,B24,B
25と、トランジスタB16,B17,B20,B21
と、抵抗R19,R20,R30,R31を含む回路
は、Gilbert ミキサあるいはマルチプライヤー(掛算
器)として公知のものであり、これに関しては、B. Gil
bert著の "A Precise Four-Quadrant Multiplier with
Subnanosecond Response", IEEE Journal of Solid-Sta
te Circuits, Vol. SC-3,pp. 365-373, December, 1968
を参照のこと。
【0012】図1の左側の回路は、実質的に Gilbertミ
キサ回路である。次に図1の従来技術にかかる回路構成
について説明する。トランジスタB16,B17は、そ
のベースがバイアスレイルに接続された電流ソースであ
り、それぞれトランジスタB20,B21へのエミッタ
電流を形成する電圧基準を与える。トランジスタB2
0,B21は、トランジスタB16,B17と直列に、
即ちトランジスタB16,B17の上部に積み重ねら
れ、エミッタ結合対を形成する。
【0013】抵抗R19,R20は、トランジスタB2
0,B21のエミッタ同士を接続し、トランジスタB2
0,B21のエミッタ電流(例、26mV/Ie )に対
し、小さな信号エミッタ抵抗の変動を抑えるために線形
劣化(linearizing degeneration)を与える。抵抗R1
9,R20は、小さな信号エミッタ抵抗の値に対し、約
10倍の値を有する。
【0014】トランジスタB20,B21のエミッタ
は、定電流ソースに接続されているために、トランジス
タB20またはB21のいずれかのacコレクタ電流
は、端末c,dでそのベースに与えられ、抵抗R19,
R20の全直列抵抗により割り算された差分ac入力電
圧に等しい。端末c,dに加えられる信号は、トランジ
スタB20,B21の上に積層されるトランジスタB2
2−B25に流れる電流の振幅を変化させる。
【0015】例えば、端末dにかかるac信号が端末c
に対し正の場合には、トランジスタB20を流れる電流
は多く、トランジスタB21を流れる電流は少ない。ト
ランジスタB16を流れる電流は増加しない(定電流ソ
ースのため)ので、接続された抵抗R19とR20によ
りパスが形成され、トランジスタB20からの余分の電
流を与える。その結果トランジスタB17を流れる電流
は一定となる。抵抗R19とR20との間の中心点ac
gは、ac接地電位である。
【0016】トランジスタB20からのこの変化した電
流が、トランジスタB22とB23のエミッタ同士の接
合点に与えられ、一方トランジスタB21からの変調電
流は、トランジスタB24とB25のエミッタ同士の接
合点に加えられる。端末a,bに加えられる信号は、ト
ランジスタB20からの変調電流をトランジスタB2
2,B25のアウトボード(outboard)対あるいはトラ
ンジスタB23,B24のインボード対のいずれかに向
け、抵抗R30,R31に差分電圧ドロップを生成す
る。
【0017】端末bにかかる入力信号が、端末aのそれ
に対し正の場合には、トランジスタB20のコレクタ電
流は、トランジスタB22とコレクタ抵抗R30を介し
て流れ、 一方トランジスタB21のコレクタ電流は、
トランジスタB25とコレクタ抵抗R31を介して流れ
る傾向にある。同様に端末a,bが上記と反対極性の信
号では、トランジスタB20のコレクタ電流は、トラン
ジスタB23とコレクタ抵抗R31を介して流れ、一方
トランジスタB23のコレクタ電流は、トランジスタB
24とコレクタ抵抗R30を介して流れる。
【0018】したがって、コレクタ抵抗R30,R31
の電圧ドロップは、端末a,bとc,dにおける信号の
4象限差分(four quadrant differential) の積、即
ち混成である信号を端末e,fに生成する。これらの差
分(ac)信号は、エミッタフォロワ出力トランジスタ
B26,B27を駆動し、差分(ac)出力電流を変圧
器T1の左側巻回にかけ、中心点であるacgは、有効
なac接地にある。
【0019】図1の回路は、直列接続された抵抗の有限
コレクタ−エミッタドロップから発生する低電圧バッテ
リソースが直面するヘッドルーム(headroom:上限余
裕)問題を示している。3個のトランジスタ、例えばB
16,B20,B22の直列接続では、これらのトラン
ジスタの各々のベースからエミッタへのドロップ電圧、
Vbeを0.9Vとすると、トランジスタB22のコレク
タでの信号変動(signalswing)にはほとんど余裕が存
在せず、そして実際にはこれらの電圧変動のピーク間値
は、約300−325mVに制限される。これは、ミキ
サ100がエミッタフォロワトランジスタB26,B2
7のベースに対し、端末e,fで得られる最大出力電圧
ドライブである。
【0020】上記したように、通常の要件は、RF増幅
器は、1mWのac出力パワーを端末xまたはyでシン
グルエンドの50オームの負荷に与えることができるこ
とであり、これは600mVのピーク間変動に等しい。
しかし端末e,fでのわずか325mVのピーク間の電
圧変動では、端末xまたはyにおける接地に対し、50
オームの負荷内で1mWを生成するには十分な電圧変動
ではない。P=E2/R=(.7071x.162)2
50=0.0002W
【0021】端末xまたはyのいずれかから1mWのa
c出力パワーを与えるためには、図1の従来回路では、
負荷抵抗を25オーム以下に減らすことにより、1mA
に対し電流を2倍にする必要がある。したがって、端末
e,fにおける325mVの信号がエミッタフォロワト
ランジスタB26とB27に加えられる。トランジスタ
B18,B19と抵抗R17とR18は、トランジスタ
B26,B27のエミッタに対し定電流ソースとなる。
【0022】トランジスタB26とB27をA級のモー
ドに維持するためには、各々はac駆動信号の負のハー
フサイクルの時にカットオフされないようにするため
に、少なくとも12mAである静止のdcスタンバイ電
流を搬送しなければならない。実際に最適の線形性は、
スタンバイ電流がトランジスタB26とB27の各々内
で15mAのdcのオーダの時、あるいは信号が存在し
ない時でさえ30mAのdcのトータルの時に得られ
る。これはバッテリサプライに対し、大きな電流ドレイ
ンを示す。
【0023】さらにまた負荷Lがシングルエンドである
ので、トランジスタB26,B27のエミッタにおける
差分信号は、変圧器T1に加わらなければならない。こ
の変圧器T1の入力巻回は、トランジスタB26,B2
7からの差分信号を受信し、そしてその出力内1個の出
力巻回が負荷を駆動する。上記したようにRF変圧器
は、狭い周波数バンドでのみ有効なカプラとなり、そし
て図1の回路を900MHZまたは1.8(または1.
9)GHzのいずれかで動作することができるようなマ
ルチバンドトランシーバには適していない。
【0024】上記の問題は、図2の回路200で従来技
術の回路101で置き換えることにより解決することが
できる。図2の回路200の端末e,fは、図1のギル
バートミキサの端末e,fに接続される。図1と図2の
両方の回路は、公知のVLSI技術を用いて形成でき
る。前段100からの端末e,fにおける変動が制限さ
れた差分入力信号はキャパシタC2,C1を介して一対
の入力トランジスタB5,B6のエミッタに加えられ、
この入力トランジスタB5,B6のベースは、共通ベー
ス構成で互いに接続されている。
【0025】入力トランジスタB6のベースとコレクタ
は、接続され、第1の定電流ソースI1と接続されてダ
イオードとして機能する。ダイオード接続されたトラン
ジスタB6を流れるdc電流は、電流ミラー構成のトラ
ンジスタB5を流れるdc電流を形成する。この電流ミ
ラー構成は、抵抗R6,R5とトランジスタB6,B5
は同一で、トランジスタB6とB5はベース−エミッタ
電圧は同一であるため同一のコレクタ電流となる。
【0026】入力トランジスタB5のコレクタは抵抗R
4とエミッタフォロワ出力トランジスタB3のベースに
接続され、この出力トランジスタB3のエミッタは、第
2の定電流ソースI2に接続される。入力トランジスタ
B5,B6のエミッタに加えられる差分電圧は、出力ト
ランジスタB3のベースで大きな差分電圧を生成する。
出力トランジスタB3のエミッタは、端末Zでシングル
エンド出力を生成し、結合トランジスタを必要とせず負
荷Lへの必要なパワーを与え、そして過剰なスタンバイ
電流を必要とせずA級モードで動作する。
【0027】図1の端末e,fを見るテベニン(Theven
in)等価回路は、650mVのオープン回路のピーク間
電圧を有し、その内部抵抗はR30とR31の抵抗値の
和に等しいようなac生成器であり、端末e,fに約1
mAの出力を生成することができる。この電流が図2の
トランジスタB5,B6のエミッタに注入される。端末
fに加えられるac信号は、接地に対し正の時にはトラ
ンジスタB5,B6のベース電圧をそれに応じて増加さ
せる。
【0028】このことが発生するのは、ダイオード接続
されたトランジスタB6が定電流ソースI1により導通
状態に維持されているからである。トランジスタB5の
ベース電圧の上昇は、そのコレクタを流れる電流を増加
させ、エミッタフォロワの出力トランジスタB3のベー
スにおける抵抗R4の電圧ドライブを減少させる。
【0029】端末fにおけるac信号が、正(positive
-going)であると仮定すると、端末eにおけるac信号
は負(negative-going)である、これはギルバートミキ
サが差分信号を与えるためである。端末eにおける負の
ac信号がトランジスタB5のエミッタに加えられる
と、トランジスタB5のコレクタ−エミッタパスを介し
て流れる電流が増加し、さらに抵抗R4にかかる電圧ド
ロップを上昇させ、エミッタフォロワの出力トランジス
タB3のベースへの駆動電圧を減少させる。
【0030】端末e,fにおける入力信号が差分信号で
あるために、一方が正で他方が負の時にはいつでもこの
プロセスは、端末e,fにかかる小さな電圧変動差分入
力信号を抵抗R4にかかる大きな電圧変動に変換させ、
そしてこのプロセスにおいては、この差分入力をシング
ルエンド出力に変換し、そして大きな電圧駆動をシング
ルエンドの出力トランジスタB3に与える。抵抗R4に
かかるac電圧変動は、端末e,fにかかるac入力信
号にB5の電流ゲインを乗算し、さらに抵抗R4の抵抗
値を乗算したものに等しい。
【0031】この実施例の構成要素の特性は次の通りで
ある。
【0032】定電流ソースは、I1とI2で示されてお
り、一方または両方は適当な大きさの抵抗で置換しても
よく、さらにまた端末fにおける信号はキャパシタC1
を介してダイオード接続されたトランジスタB6のエミ
ッタに加えられるように示されているが、キャパシタC
1を介してこの信号をトランジスタB6のコレクタに接
続しても幾分異なる結果がでるだけである。
【0033】同時にユニポーラトランジスタでもってバ
イポーラトランジスタを置換できるが、この場合エミッ
タはソースで、ベースはゲートで、コレクタはドレイン
で置き換える。これ以外様々な変更が可能であるが、本
発明は実施例ではなく特許請求の範囲により規定される
べきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術にかかるミキサ即ちマルチプライヤー
段と、低インピーダンス負荷をRF変圧器を介して駆動
する一対のエミッタフォロワを有するRF増幅器段との
ブロック図
【図2】本発明によるRF変圧器を必要とせず1個のエ
ミッタフォロワ出力のみを有するRF増幅器段を示すト
ランシーバの一部のブロック図
【符号の説明】
100 RFミキサ(アナログマルチプライヤー段) 101 従来技術の回路 200 回路
フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New Je rsey 07974−0636U.S.A. (72)発明者 ミルトン ラザー エンブリー アメリカ合衆国,19605 ペンシルヴァニ ア,リーディング,エイセンブラウン ロ ード 3225 (72)発明者 ブライアン ケー.ホートン アメリカ合衆国,19608 ペンシルヴァニ ア,シンキング スプリングス,レジェン シー ドライブ 2904

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ピーク間電圧変動がバッテリ電圧以下で
    ある差分入力信号からシングルエンド負荷インピーダン
    スを駆動する、結合変圧器を使用しない無線周波数増幅
    器において、 (A) ベースが相互に接続された一対の入力トランジ
    スタ(B5,B6)と、 (B) 前記入力トランジスタ(B5,B6)のエミッ
    タに、前記差分入力信号(e、f)を結合する手段と、 (C) 第1電流ソース(I1)と、 (D) 前記一対の入力トランジスタ(B5,B6)の
    第1トランジスタ(B6)を前記第1電流ソース(I
    1)と接続する手段と、 (E) 第2電流ソース(I2)と、 (F) 負荷(L)にそのエミッタが結合されるエミッ
    タフォロワ出力トランジスタ(B3)と、 (G) 前記一対の入力トランジスタの第2トランジス
    タ(B5)のコレクタを前記エミッタフォロワ出力トラ
    ンジスタ(B3)のベースに接続する手段と、 (H) 前記エミッタフォロワ出力トランジスタ(B
    3)のエミッタを前記第2電流ソース(I2)に接続す
    る手段とからなることを特徴とする無線周波数増幅器。
  2. 【請求項2】 前記電流ソースは、定電流ソースである
    ことを特徴とする請求項1記載の増幅器。
  3. 【請求項3】 前記電流ソースは、前記バッテリにより
    供給される抵抗であることを特徴とする請求項1記載の
    増幅器。
  4. 【請求項4】 前記トランジスタは、ユニポーラトラン
    ジスタであることを特徴とする請求項1記載の増幅器。
  5. 【請求項5】 (A) ベースとエミッタとコレクタを
    有する一対の入力トランジスタと、 前記ベースは、互いに接続され、 前記エミッタは、差分入力信号を前記一対の入力トラン
    ジスタに結合し (B) 第1電流ソースと、 (C) 第2電流ソースと、 (D) 前記第2電流ソースと負荷に接続されるエミッ
    タと、前記一対の入力トランジスタの第2トランジスタ
    のコレクタに接続させるベースとを有する出力トランジ
    スタとを有するRF増幅器を有することを特徴とするト
    ランシーバ。
  6. 【請求項6】 前記第1と第2の電流ソースは、定電流
    ソースであることを特徴とする請求項5記載のトランシ
    ーバ。
  7. 【請求項7】 前記出力トランジスタは、エミッタフォ
    ロワトランジスタを構成することを特徴とする請求項5
    記載のトランジスタ。
  8. 【請求項8】 (A) ベースとエミッタとコレクタを
    有する一対の入力トランジスタと、 前記ベースは、互いに接続され、 前記エミッタは、差分入力信号を前記一対の入力トラン
    ジスタに結合し (B) 第1電流ソースと、 (C) 第2電流ソースと、 (D) 前記第2電流ソースと負荷に接続されるエミッ
    タと、前記一対の入力トランジスタの第2トランジスタ
    のコレクタに接続させるベースとを有する出力トランジ
    スタとを有するRF増幅器を有することを特徴とする集
    積回路。
  9. 【請求項9】 積層されたトランジスタのアレイのベー
    ス−エミッタ間電圧の和を数百mVだけ超える電圧を有
    するバッテリにより供給される積層トランジスタアレイ
    から差分出力信号を提供する回路とシングルエンド負荷
    を駆動するRF増幅器との組み合わせ回路において、 前記RF増幅器は、 (A) ベース同士が互いに接続された一対の入力トラ
    ンジスタと、 (A1) 前記入力トランジスタの第1トランジスタ
    は、前記バッテリにより供給される第1定電流ソースと
    ダイオード接続され、 (A2) 前記一対のトランジスタの第2トランジスタ
    は、前記バッテリにより供給されるコレクタ抵抗を有
    し、 (B) 前記トランジスタアレイからの差分入力信号を
    前記入力トランジスタに結合する手段と、 (C) 前記負荷に接続されるエミッタと、前記第2ト
    ランジスタのコレクタに接続されるベースとを有し、前
    記バッテリにより供給されるエミッタフォロワトランジ
    スタとを有することを特徴とする結合回路。
  10. 【請求項10】 前記(B)の手段は、前記差分出力信
    号の半分を前記入力トランジスタの少なくとも一方のエ
    ミッタに結合する手段を有することを特徴とする請求項
    9記載の回路。
  11. 【請求項11】 前記(B)の手段は、前記エミッタの
    少なくとも一方に接続されるキャパシタを有することを
    特徴とする請求項9記載の回路。
  12. 【請求項12】 前記エミッタフォロワは、第2定電流
    ソースと回路接続されていることを特徴とする請求項9
    記載の回路。
  13. 【請求項13】 前記第2トランジスタのコレクタは、
    前記コレクタ抵抗と直列に前記バッテリに接続され、 前記エミッタフォロワトランジスタのベースは、前記第
    2トランジスタのコレクタと前記コレクタ抵抗の接続部
    に接続されることを特徴とする請求項9記載の回路。
  14. 【請求項14】 前記差分出力信号を提供する回路は、
    ギルバートミキサあるいはマルチプライヤー回路であ
    り、 前記差分信号を前記エミッタに接続する手段は、前記ギ
    ルバート回路と共通ベース構成されたトランジスタの対
    のそれぞれのエミッタの間に直列に接続された各キャパ
    シタ(C1,C2)であることを特徴とする請求項9記
    載の回路。
  15. 【請求項15】 前記ダイオード接続されたトランジス
    タと、前記第2トランジスタは電流ミラー接続を構成す
    ることを特徴とする請求項9記載の回路。
  16. 【請求項16】 低電圧バッテリにより供給されるギル
    バートマルチプライヤーからシングルエンド負荷を駆動
    する方法において、 前記マルチプライヤーは、そのピーク間電圧が前記バッ
    テリの電圧以下となるような差分RF電圧を提供し、 (A) 前記差分RF電圧をバッテリにより駆動される
    一対の共通ベース構成されたトランジスタのエミッタに
    加えるステップと、 前記一対のトランジスタは、dc電流ミラーとして構成
    され、前記一対のトランジスタの第1トランジスタは、
    前記第2トランジスタを介してdc電流を流し、 (B) 前記トランジスタの第2トランジスタのコレク
    タ電圧を前記負荷を駆動するために、前記バッテリによ
    り駆動されるエミッタフォロワトランジスタのベースの
    結合するステップとを有することを特徴とするギルバー
    トマルチプライヤーからのシングルエンド負荷の駆動方
    法。
  17. 【請求項17】 前記トランジスタはユニポーラトラン
    ジスタであることを特徴とする請求項16記載の方法。
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