JPS63501836A - 1ビットデジタル―アナログコンバータ及びパイプラインデジタル―アナログコンバータ - Google Patents
1ビットデジタル―アナログコンバータ及びパイプラインデジタル―アナログコンバータInfo
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- JPS63501836A JPS63501836A JP61505592A JP50559286A JPS63501836A JP S63501836 A JPS63501836 A JP S63501836A JP 61505592 A JP61505592 A JP 61505592A JP 50559286 A JP50559286 A JP 50559286A JP S63501836 A JPS63501836 A JP S63501836A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
高分解能パイプラインデジタル−アナログコンバータこの発明はデジタル信号を
アナログ表現に変換する分野に関し、特に高分解能パイプラインデジタル−アナ
ログコンバータに関する。
2、関連技術の説明
広い範囲の種々のアナログデバイスは、しばしばデジタルコンピュータによって
制御されるものであり、例えばそれは飛翔体の操縦性及び速度を制御するために
望ましいシステムの一部となり得るアナログ位置決めデバイスの種々のタイプを
含む。デジタルコンピュータのこれらのデバイスを干渉するため、デジタル−ア
ナログコンバータのように周知の回路は、前記コンピュータからのデジタル入力
信号の値によって、アナログ出力電圧を供給する回路を開発してきた。nビット
デジタル−アナログコンバータの出力電圧は、代表的にこのように表すことがで
きる。
ここで■ は前記コンバータの出力電圧であり、Vr。、はut
コンバータに供給される基準電圧であり、そしてba−bl・・・−b/l−1
はコンバータに伝えられたデジタル入力信号であるもので、bΩは最小有効ビッ
トを表すと共にbn−1は最大有効ビットである。
多くのデジタル−アナログコンバータは、所望の出力電圧を供給するために重み
付は抵抗器を作動する各々のビットを有している本質的電圧ディバイダ回路網で
ある。他のデジタル−アナログコンバータは、R−2R抵抗性はしご形を使用し
、その抵抗器の2つの値はアナログ出力信号を供給するために、はしご形回路網
の配置がなされる。何故ならば抵抗器1よポリシリコンから@成されるか、また
は拡散によって本質的に大きくなると共に電圧に応じて非直線とされるもので、
MOS (netal oxide 5eniconductor)技術の好ま
しり実施は、!J@されたデジタル−アナログコンバータの容昂性素子を使用す
るためである。このようなコンデンサは、シリコン基板のドープされた領域の表
面上、または第2のシリコン層の基板上の薄い絶縁層上の金属、すなわちポリシ
リコン電極を配置することによって代表的に構成される。2進重み付は変換コン
デンサ及びこのタイプの帰還コンデンサを使用することにより、電界効果トラン
ジスタに関連して、デジタル−アナ2進重み付はコンデンサを使用するデジタル
−アナログコンバータが前述の説明のようにMOS技術の使用によって構成する
ことができると同時に、これらの効用は所望の分解能(例えば、変換すべくビッ
トの数)増加のようにしばしば制限されたものとなる。故に、各ビットは次の最
小有効ビットのその2倍に等しい値を有する重み付は変換コンデンサを一般に要
求し、最小有効ビットに従った変換コンデンサのそれと帰還コンデンサの比は、
分解能の各々1ビツトの増加のために二倍になる。この二倍の容量比は、統計学
的に決定された量による変換の精密度を本質的に減じてもよく、且つ現実の実施
の略8ビツトにMOSコンバータの一般に制限された分解能を有する。
加えて、M OSを使用して構成されたデジタル−アナログコンバータは、一般
にパイプラインされない(すなわち、同時に1ワ一ド以上動作するために無力と
なる)故にスルーブツトを制限している。相対的に速いコンバータは他の技術で
存在するが、多数の困難はMO34M成技術を使用するパイプラインコンバータ
を満たすための試みで明らかになった。前述の説明された不利益を有する抵抗器
を要求するために加えて、これらのコンバータによって消散されたエネルギーは
、一般に相対的に大きいものであると共に、よってMO3手段のだめに不適当な
ものである。
発明の摘要
この発明の本来の目的はパイプラインし得る高速デジタル−アナログコンバータ
を提供するためである。この発明に関連した目的は、分解能増加の期間、実質上
接点を残存する変換コンデンサのそれと、帰還言争の比のデジタル−アナログコ
ンバータを提供するためのものである。
この発明の更なる目的は、高分解能が要求される適用に於いて使用され得るデジ
タル−アナログコンバータを提供するためのものである。
また、この発明の目的は、前記分解能増加のような高さが残存する変化のv8密
度での集積されたデジタル−アナログコンバータを提供するためのものである。
この発明のこれら及び他の目的は、クロックサイクルの最初の半周期間、充電す
るための第1のスイッチング手段を具備するデジタル−アナログコンバータを提
供することによってなし遂げられる。第2のスイッチング手段は、クロックサイ
クルの2番目の半周期間、第1のコンデンサから第2のコンデンサに電荷を転送
するために更に提供されるものである。
また、連続的なりロックサイクルの最初の半周期間、第2のコンデンサの充電を
防止すると共に放電するための手段が提供され、このような放電がアナログ出力
を@成する。更に、連続的な多重ビツトデジタルワードのパイプラインを可能に
するために適応するような、複数の前述のコンバータ及びフリップフロップが提
供される。
図面の簡単な説明
この発明の種々の利益は、以下の明細書を理解すると共に図面を参照することに
よって、ある当業者によって明らかにされる。
第1図はパイプラインされるべくことが可能となるアナログ表現に1ビツトのデ
ジタル信号及びアナログ信号を同時に変換することの可能な回路を示し、
第2図は第1図の回銘に関連して使用されるクロックのタイミング線図、
第3図は第1図の複数の回路を使用するパイプラインされた多重ビツトデジタル
−アナログコンバータをシステムを示゛す。
好ましい実施例の説明
1ビツトデジタルワードをアナログ表現に変換するため、第1図を参照すると、
1ビツトのデジタル−アナログコンバータ10は、アナログスイッチ16により
帰還コンデンサC1に結合されたアナログ電圧出力端子14を有して供給される
。第2図に示されるように、前記コンバータ10は、主クロツク発振器(図示せ
ず)から発振するためのインバータ18のような任意の手段によって供給される
もので、2つのクロックパルスが主クロツク発振器(図示せず)からφ(前記ク
ロッフサ最後の半周期)を作る。好ましい実施例のアナログスイッチ16は、エ
ンハンスメントモードのMO3nチャンネル電界効果トランジスタであり、前記
クロック周期、すなわちサイクルの2番目の半周期間、発振される可能化φ信号
を受信次第閉じられる。前記コンバータ10の出力端子14の出力電圧■out
は、次のφサイクルの期間前えられ、そしてコンデンサC1の容量に関係付けら
れると共に、電荷が以下の近似値関係に従って蓄えられる。
’V out =Q 1 / C1
ここで、C1はファラッドで計測されたコンデンサC1の容量であり、Qlはク
ーロンのコンデンサの電荷である。代表的に、コンデンサC1の容量は、速度が
充電時間を最短にし得るため、本来の関係である適用に於いて相対的に小さい(
例えば略1ピコフアラツド)ものである。高分解能がまた重要なものであるとき
、コンデンサC1の値は、前記コンデンサのプレート範囲が、その周囲に応じて
相対的に小さいときに生じるランダムなエツジ、及びランダムな酸化効果を減す
るために多少大きい(すなわち、略5ピコフアラツド)ものである。
前記帰還コンデンサCIGよ、変換コンデンサC2及び後述する変換コンデンサ
C3かうその電荷を引出す。
前記コンデンサC1に電荷を加えるため、コンデンサC工の第2のプレート20
は、変換コンデンサC2の第1のプレート22に接続される。前記コンデンサC
2は、前記クロックサイクルの最初の半周期間、電荷を初めに充電するために使
用されるもので、それは前記クロックサイクルの2番目の半周期間で、前記コン
デンサC1に転送される。コンデンサC2は、そのプレートと交差して電圧ドロ
ップを作り出すことによって充電され、そして次に説明するように適切な転送機
能が発生するように、前記コンデンサCIの近似的に半分の容量を有する。
前記クロックサイクルの最初の半周期間、コンデンサC2の第2のプレート24
に陽電圧が配置されるため、第2のプレート24はアナログスイッチ28及び3
0によって、コンバータ10の基準電圧端子26に接続される。前記コンバータ
10のもう一つのアナログスイッチ(例えば、スイッチ16)に伴うように、ア
ナログスイッチ28及び30は、エンハンスメントモードのM OS nチャン
ネル電界効果トランジスタである。所定のビット位@bのための高ロジックレベ
ルが、デジタルコンピュータ(図示せず)からコンバータ10によって受信され
るとき、子26に、アナログスイッチ30を接続する。可能化φ信号がクロック
サイクルの最初の半周期間で、アナログスイッチ30によって受信されるとき、
前記スイッチ30はコンデンサC2の気2のプレート24に基準電圧端子26と
接続し、その電位がV、。fに増加する。フローティングからのアナログスイッ
チ28と30間のノードを防止するため、アナログスイッチ32はビット位置す
のための低ロジックレベルを受信次第、結合するためにこのノードを結合するそ
れが提供される。
前記クロックサイクルの最初の部分の期間、コンデンサC2の第1のプレート2
2を結合するため、この第1のプレート22は演算増幅器36の符号端子34に
更に接続される。好ましい実施例では、前記演算増幅器36は折り返し縦続の演
算増幅器であり、演算増幅器の他のタイプを使用し得ることが理解されるべきで
ある。第1のプレート22は、またスイッチ38を介して出力端子14に接続さ
れるものであり、それは約2演算増幅器36の出力を伝えるために供給される。
演算増幅器36の低出力インピーダンスによって、演算増幅器36の出力端子1
4は、コンデンサC2の第1のプレート22と、コンデンサCIの第2のプレー
ト20との結合部に結合される。コンデンサC1の第1のプレート12は、アナ
ログスイッチ40の作用によるクロックサイクルの最初の半周期間、また接地さ
れる。連続したクロックサイクルの最初の半周期間、アナログ出力電圧■。、1
を供給することに加えて、前記コンデンサC1は特定の動作を確実にするために
、前記演算増幅器36のための所望の主要なボール補償を提供する。更に、C1
及びC2の配置は、前記コンバータ10の動作上の別の方法を有する演算増幅器
36の効果オフセット電圧を除去する。前記クロックサイクルの最初の半周期間
、コンデンサC1の充電を防止すると共に放電するアナログスイッチ40及び演
算増幅器36と同時に、前記クロックサイクルの最初の半周期間、コンデンサC
1の充電を防止すると共に放電する何れか他の手段もまた使用することができる
、ということが理解される。
前記クロックサイクルの2番目の半周期間、コンデンサC2の電荷をコンデンサ
C1に転送するため、アナログスイッチ42が、可能化φ信号を受信次第結合す
るために、コンデンサC2の第2のプレートを結合するために使用される。コン
デンサC2の第2のプレート24が前記スイッチ42を介して接地するために接
続されると、前記コンデンサC2に蓄えられた電荷は、アナログスイッチ16及
びコンデンサC1を介して演算増幅器36の端子14からコンデンサC2に流れ
る電流によって消散される。故に前記コンデンサC1及びC2を介して流れる電
流は同じであり、前記電流によって誘導されたコンデンサC1の電荷は、コンデ
ンサC2の消散された電荷と同等のものである。このコンデンサC1の電荷は、
(C2)(V、。f/C1)、すなわち■、。、/2に等しいそのプレートと交
差して展開されるべく電圧を生じ、コンデンサCiの容量はコンデンサC2のそ
の2倍となるべく選択される。この電圧は、アナログスイッチ16によって出力
端子14に供給される。
パイプラインされるべくコンバータ10を許可するために、付加的なフィード・
インコンデンサC3が使用される。前記フィード・インコンデンサC3の第1の
プレート44は、コンデンサC1の第2のプレート20に接続される、モしてC
3の第2のプレート46はアナログスイッチ50を介してコンバータ10のアナ
ログ入力端子48に接続される。前記アナログ入力端子48は、実質上同一の上
流コンバータ(図示せず)からアナログ信号■、を受けるために使用される。可
能化φ信号を受n
信次第、クロックサイクルの最初の半周期間、動作すると、前記アナログスイッ
チ50は■inに対するプレート46での電位を増加するコンデンサC3の第2
のプレート46に、コンバータ10のアナログ入力端子48を結合する。それは
前記コンデンサC:lの第1のプレート44が、演算増幅器36によって前記ク
ロックサイクルの最初の半周期間、結合されるからであり、のであり、このC3
はコンデンサC3の容量でコンデンサC1のその半分となるべく選択される。
前記クロックサイクルの2番目の半周期間、コンデンサC3の電荷をコンデンサ
C1に転送するため、アナログスイッチ52はコンデンサC3の第2のプレート
46とグラウンド間に配置される。前記アナログスイッチ52が可能化正信号を
受信次第動作すると、コンデンサC3に蓄えられた電荷は、アナログスイッチ1
6及びコンデンサC工を介して演算増幅器36の端子14からコンデンサC3に
流れる電流によって消散される。故に、コンデンサC1及びC3を介して流れる
電流は回向は、コンデンサC3の消散された電荷と同等のものである。
それはコンデンサC2及びC3の両者がコンデンサC1で誘導されるべく電荷を
発生すると、コンデンサC1の第1のプレート12での電圧は次式に等しいもの
である。
故にコンデンサC2及びC3の値はコンデンサC】のその半分となるべ°く選択
されるものであり、前記コンバータは以下の転送は能を作り出すことが可能なも
のである。
ここで、Z−1/2は入力がコンバータに供給される後のクロックサイクルの半
周期を表す出力信号を意味する。重要に、変換コンデンサのそれに対する帰還コ
ンデンサの比は低いものであり、且つ分解能増加のような定数が残り、そのため
に長さ8ビツトを足えるワードのように高く残る変換の精密度が変換される。
バイブラインをなし遂げるため、及び単一アナログ出力中にデジタルワードの多
重ビットの変換を結合するための、D−フリップフロップ56−74から成る複
数のシフトレジスタは、第3図に示されるような複数の1ビットコンバータ78
−86に接続される。D−フリップフロップ56−74は、コンバータ78に対
してビットbl−bn−,の遅延伝達、及びクロックサイクルの半周期によって
フリップフロップ66−72に使用される。D−フリップフロップ56−74は
、クロック発振器(図示せず)に直接的に、またはクロック発振器に接続される
インバータ88に接続される。
動作に於いて、デジタルビットb、、−b11−1は、連続的なりロックサイク
ルに渡って、1ビツトコンバータ76及びD−フリップ70ツブ56−74にそ
れぞれ同時に供給される。
第1のクロックサイクルの最初の半周期間、コンバータ76によるビットboの
処理は、ビットbI E)i−tが、第1のクロックサイクルの半周期のための
D−フリップフロップ56−64によって、遅延されると同時に始まる。3!続
的なり口ツクサイクルの最初の半周期間、ビットbOのアナログ表現は■、の処
理のためにコンバータ78に伝達され、同時にb1n
はD−フリップフロップ56によって同時に伝達される。加えて、ビットb2−
bn−1は、クロンクサイクルの別の半周期のための、これら各々のシフトレジ
スタの次のD−フリップフロップ6G−72に転送される。また、次のクロック
サイクルの最初の半周期間、新規のビットb、、−b/l−1を有する別のワー
ドが、それぞれコンバータ76及びD−フリップフロップ56−64に供給され
る。同時に、前記コンバータ78によって発振された第1のワードのピントba
及びblのアナログ表現が、コンバータ80の入力端にも供給されるものであり
、且つ次のクロックサイクルの期間、ビットb2のアナログ表現と共に1.後に
結合される。このピントb11−1まで持続する処理は、以下の形式のnビット
のアナログ表現を作り出すために、前述のビットと結合される。
防記nビットワードのアナログ表現は、故にn/2クロツクサイクルで有効であ
り、且つ連続的なデジタルワードは、各クロックサイクルの開始でコンバータ7
6及びD−フリップフロップ5G−64に提供される。
この発明は、ある特定の実施例に関連して説明される一方、他の変形が明細書、
図面以下の請求の範囲の検討が、必る当業者によって明白になることは、理解さ
れるべきである。
国際調査報告
1.11カl116Ral A9ell+#ll@RNa、?cT/υS 86
102047ANNEX To TF、E INTERNAT!0NAL 5E
ARCHR三F’O:’IT ON
Claims (19)
- 1.連続的な第1及び第2のクロックサイクルを有するクロック信号に応答する 1ビットデジタルーアナログコンバータを有してデジタル信号をアナログ表現に 変換するデバイスであって、前記1ビットコンバータが、(a)第1のコンデン サと、 (b)前記第1のクロックサイクルの期間、前記デジタル信号を受信次第、前記 第1のコンデンサを充電する第1のスイッチング手段と、 (c)第2のコンデンサと、 (d)前記第2のクロックサイクルの期間、前記第1のコンデンサから前記第2 のコンデンサに電荷を転送する第2のスイッチング手段と、 (e)前記連続的な第1のクロックサイクルの期間、アナログ信号出力に応答し て放電する第2のコンデンサによって前記連続的な第1のクロックサイクルの間 、前記第2のコンデンサの前記充電を防止すると共に放電する絶縁手段とを具備 するデバイス。
- 2.(a)第3のコンデンサと、 (b)前記第1のクロックサイクルの期間、前記第3のコンデンサを充電する第 3のスイッチング手段と、(c)前記連続的な第1のクロックサイクルの期間、 結合応答アナログ信号出力を放電する前記第2のコンデンサのために前記第2の クロックサイクルの期間、前記第3のコンデンサから前記第2のコンデンサに前 記電荷を転送するために更に適応される前記第2のスイッチング手段とを更に含 む請求の範囲第1項記載のデバイス。
- 3.前記第3のスイッチング手段は前記第1のクロックサイクルの期間、別の実 質上同一の1ビットデジタルーアナログコンバータの前記出力を受信次第、前記 第3のコンデンサを充電するために適応される請求の範囲第2項記載のデバイス 。
- 4.前記絶縁手段は前記第1のクロックサイクルの期間、前記第2のコンデンサ の第1のプレートを結合するために実施可能なアナログスイッチと、前記第1の クロックサイクルの期間、前記第2のコンデンサの第2のプレートを結合するた めに実施可能な演算増幅器から成る請求の範囲第3項記載のデバイス。
- 5.前記第1のスイッチング手段は所定のロジックレベルのデジタル信号を受信 次第、第2のトランジスタに基準電圧を結合するための第1のトランジスタから 成り、前記第2のトランジスタは前記第1のクロックサイクルの期間、前記第1 のコンデンサに前記基準電圧を結合するためのものである請求の範囲第4項記載 のデバイス。
- 6.前記第2のスイッチング手段は結合するために前記第1及び第2のトランジ スタ間のノードを選択的に結合する第3のトランジスタから成り、前記第2のス イッチング手段は前記第2のクロックサイクルの期間、結合するために前記第1 のコンデンサを結合する第4のトランジスタを更に備える請求の範囲第5項記載 のデバイス。
- 7.前記第3のスイッチング手段は前記第1のクロツクサイクルの期間、もう一 方の1ビットデジタルーアナログコンバータから前記第3のコンデンサに前記出 力を結合する第5のトランジスタから成り、前記第2のスイッチング手段は前記 第2のクロックサイクルの期間、結合するために前記第3のコンデンサを結合す る第6のトランジスタを更に備える請求の範囲第6項記載のデバイス。
- 8.前記第2のスイッチング手段は前記連続的な第1のクロックサイクルの期間 、前記第2のコンデンサからの前記アナログ信号を伝達する第7のトランジスタ を更に備える請求の範囲第7項記載のデバイス。
- 9.バインラインされるべく複数の前記1ビットデジタルーアナログコンバータ を可能にするために少なくとも1つの前記1ビットコンバータに連続的な多重ビ ットデジタル信号の特定のビットを遅延する少なくとも1つのシフトレジスタを 更に含む請求の範囲第3項記載のデバイス。
- 10.前記第1及び第3の容量対前記第2の容量の各々の比は処理されたデジタ ルビットの数によると共に実質上一定である請求の範囲第2項記載のデバイス。
- 11.前記デバイスは存続に等しい前記第1及び第2のクロックサイクルに適応 される請求の範囲第10項記載のデバイス。
- 12.予め定められたクロックサイクルの連続的な2つの部分の予め定められた 数のアナログ信号中に連続的な多重ビットデジタル信号を変換するためのパイプ ラインされたデジタルーアナログコンバータであって、(a)アナログ信号中に 1ビットデジタル信号を変換するために各々実施可能な第1の複数の電気回路で 、(i)第1のコンデンサと、 (ii)クロックサイクルの最初の部分の期間、前記1ビットデジタル信号を受 信次第、前記第1のコンデンサを充電する第1のスイッチング手段と、 (iii)第2のコンデンサと、 (iv)前記第1の複数の電気回路のもう一方からのアナログ信号を受信次第、 前記クロックサイクルの前記最初の部分の期間、前記第2のコンデンサを充電す る第2のスイッチング手段と、 (v)第3のコンデンサと、 (vi)前記クロックサイクルの2番目の部分の期間、前記第1及び第2のコン デンサから前記第3のコンデンサに前記電荷を転送する第3のスイッチング手段 と、 (vii)前記第3のコンデンサが前記連続的なクロックサイクルの前記最初の 部分の期間、アナログ信号出力に応答して充電すると共に、前記前記第1の複数 の電気回路のもう一方にそれを伝達することによって、前記連続的なクロックサ イクルの前記最初の部分の期間、前記第3のコンデンサの前記充電を防止すると 共に放電するための絶縁手段とを備える少なくとも1つの前記第1の複数の電気 回路と、 (b)バイプラインされるべく前記デジタルーアナログコンバータを許可するこ とによって一部のクロックサイクルの所定数によって前記第1の複数の電気回路 の少なくとも1つに各多重ビットデジタル信号の少なくとも1つのデジタルビッ トの伝達に応答して遅延するために実施可能な第2の複数の電気回路とを具備す るデジタルーアナログコンバータ。
- 13.前記第2の複数の電気回路は前記クロックサイクルの半周期によって前記 第1の複数の電気回路に多重ビットデジタル信号の連続的なデジタルビットの伝 達に応答して遅延し、且つ前記クロックサイクルの前記第1及び第2の部分は前 記クロックサイクルの半分に各々等しい請求の範囲第12項記載のデジタルーア ナログコンバータ。
- 14.前記第1及び第2の複数の電気回路はn/2′クロックサイクルのアナロ グ表現にnビットデジタル信号を変換するために適応される請求の範囲第12項 記載のデジタルーアナログコンバータ。
- 15.前記第2の複数の電気回路の少なくとも1つは直列に接続された所定数の D−フリップフロップから成り、前記数は連続的に遅延されるべく連想ビットの 半分のクロックサイクルの所定数に等しい請求の範囲第12項記載のデジタルー アナログコンバータ。
- 16.半周期のクロックサイクルの所定数内にアナログ出力中に連続的な多重ビ ットデジタル信号を変換するバイプラインデジタルーアナログコンバータであっ て、(a)デジタルビット入力を受信するための複数の変換コンデンサ及びパイ プラインされたアナログ出力と応答アナログ出力を放電するための少なくとも1 つの帰還コンデンサを有するアナログ出力の中に多重ビットデジタル信号を変換 し、前記変換コンデンサの各々に対する前記帰還容量の比は前記コンバータの分 解能に実質上依存される第1の複数の電気回路と、 (b)半周期のクロックサイクルの所定数によって前記第1の複数の電気回路に 前記連続的な多重デジタル信号の伝達を選択的に遅延するために実施可能な第2 の複数の電気回路を具備するパイプラインデジタルーアナログコンバータ。
- 17.前記第1の複数の電気回路の各々はクロックサイクルのアナログ出力に応 答して放電するために適応され、且つ前記第2の複数の回路は前記クロックサイ クルの半周期によって前記第1の複数の電気回路の1つに各多重ビットデジタル 信号の通読的なデジタルビットの伝達を遅延する各々実施可能な複数のD−フリ ップフロップから成る請求の範囲第16項記載のパイプラインデジタルーアナロ グコンバータ。
- 18.前記第1及び第2の複数の電気回路はn/2クロックサイクルのnビット デジタル信号の変換を許可するために実施可能なものである請求の範囲第16項 記載のパイプラインデジタルーアナログコンバータ。
- 19.前記変換容量の各々に対する前記帰還容量の比は実質上一定である請求の 範囲第16項記載のパイプラインデジタルーアナログコンバータ。
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