KR790001971B1 - 온도보상 전류 레귤레이터회로 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 본 발명에 의한 온도보상전류 레귤레이터의 제1 실시예의 부분적인 계통도와 부분적인 개략도.
제2도는 본 발명에 의한 온도보상전류 레귤레이터의 제2 실시예의 개략도.
제3도는 본 발명에 의한 온도보상전류 레귤레이터의 제3 실시예의 개략도.
본 발명은 정전류원에 관한 것으로, 특히 온도에 무관한 정전류원에 관한 것이다.
대체로 트랜지스터 집적회로를 사용할시에 관심사가 되는 것은 예를들면, 트랜지스터 콜렉터전류와 같은, 트랜지스터 장치의 많은 동작매개변수가 온도에 따라 변화된다는 것이다. 이러한 집적회로가 좋지 않은 환경하에서 불필요하게 넓은 온도변동을 받을 때, 혹은 다수의 집적회로를 서로 아주 가깝게 배치하여 사용하므로서 집적회로상의 장치들을 효과적으로 냉각시킬 수 없을 경우에는, 동작 매개 변수에 대한 온도변화 문제는 심각해지게 된다. 이러한 상태하에서, 설계자에게는 비교적 온도에 무관한 특성을 갖는 온도보상을 제공할 수 있는 집적회로장치가 많은 도움이 된다.
본 발명에 의하면 정전류를 공급하는 전류레귤레이터는 도전상태의 반도체 PN 접합구조 양단의 전압에 비례하는 온도의존성전압을 발생시키는 온도의존성전압원, 제1 저항장치, 직렬접속된 PN 접합구조 및 제2 저항장치를 포함하고 있다.
제1저항장치는 그 저항값에 의해 그 양단에 인가되는 전압에 일치하는 전류를 유도할 수 있도록 온도의 존성전압원과 병렬접속되고, 직렬접속된 PN 접합구조와 제2 저항장치는 온도의존성전압원과 제1 저항장치에 병렬접속되어 있다. 따라서 직렬접속된 PN 접합구조와 제2 저항장치 양단의 전압은 온도의존성전압원 양단의 전압과 같다. 직렬접속 PN접합구조와 제2 저항장치내의 전류는 온도 계수를 포함한다. 이 온도 계수는 동작온도의 실제범위 이상으로 제1 저항장치내의 전류의 온도계수에 대해 충분히 보상을 하기 위해서 제1 저항장치내의 전류의 부극성 온도 계수에 비례한다.
본 발명에 관한 종래의 것으로는 미합중국 특허 제3,629,692호가 있다. 이 회로는 정전류원을 갖도록 배열되였지만 저항기 24(상기 특허내의 도면에 있는 번호)의 값이 동작온도에 따라 변화될 때 발생된 전류값이 약간 변하는 것을 알았다. 본 발명은 저항기 29(상기 종래 특허의 24에 대응함)가 온도에 변할지라도 정전류를 가질 수 있도록 설계한 것이다. 본 발명에서는 저항기 29 양단에 반도체 접합부(트랜지스터 25의 베이스 에미터)와 저항기 35를 직렬로 접속시키므로서 저항기 29이 변화에 대해서 필요한 온도보상을 하게 된다. 그러므로, 온도보상 정전류공급기가 바람직하게 이루어진다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 기술하겠다.
제1도에 도시된 본 발명 제1 실시예에서, 반도체 접합 8의 순방향 바이어스된 베이스-에미터 전압VBE에 일치하는 전압원은 그의 정극성단자가 저항 29를 통하여 점 G에 접속된다. VBE전압원 8의 부극성 단자는 점 G에 접속된다. 다이오드 26은 그의 애노드가 VBE전압공급기 8의 정극성단자에 접속되고, 그의 캐소드가 저항기 35의 한 단자에 접속된다. 저항기 35의 나머지 단자는 점 G에 접속된다. 동작은 도의 범위를 넘는 실제적인 온도불변전류를 필요로 하는 부하회로 60은 다이오드 26의 애노드, VBE전압공급기 8의 정극성 단자와 저항기 29의 단자가 합쳐지는 접점과 B+전압공급원 사이에 접속된다.
제1도에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서, VBE공급기 8은 온도가 증가함에 따라 감소하는 순방향 바이어스 베이스-에미터 접합전압의 특징이 있다.
그 관계는 다음과 같다.
여기서, VBE는 베이스-에미터 접합전압강하,
Vgo는 절대온도 0에서의 접합전압강하,
VBEO는 기존온도 TO에서의 접합전압강하,
n은 장치구조에 따른 상수(이중확산실리콘 트랜지스터에 대해 통상 1.5)
k/g는 약 8.66×10-5V/℃인 물리적인 상수
T는 접합온도,
Ic는 온도(절대온도) T에서의 콜렉터전류.
ICO는 온도(절대온도) TO와 베이스 에미터 전압 VBEO에서의 콜렉터전류.
In은 자연대수를 포함한다. 이 식의 유도 및 응용은 1967년 1윌에 IEEE문서, 제55권, 96-97페이지에 알·제이·위들라가 쓴 "바이폴라트랜지스터의 에미터 베이스전압의 열변화에 대한 정확한 표시" 와, 1967년 6월에 고상회로의 IEEE저어널, 제 SC 2권, 제2호, 57-58페이지에 제이. 에스, 브루글러가 쓴 "선형 콜렉터전류온도에 따른 실리콘 트랜지스터 바이어스에 상세히 기술되어 있다.
VBE공급기 8 양단의 전압변동에 따라, 저항기 29에 인가된 전류가 변동하므로 VBE공급기 8 양단의 전압은 저항기 29를 흐르는 전류값에 저항기 29의 저항값을 곱한 것과 같다. 따라서, 저항기 29를 통하는 전류가 VBE공급기 8 양단 전압으로 직접 변화하는 것을 상 기 설명으로부터 알 수 있다.
VBE공급기 8 양단의 전압이 베이스-에미터 접합온도와는 역으로 변화하는 관계임을 알 수 있다(공식의 마지막 두항은 VBE와 VBEO항에 비해 아주 작다).
다이오드 26의 애노드-캐소드 접합 양단의 전압이 VBE공급기 8 양단의 전압과 같은 공식에 의해 제어되기 때문에, 온도가 증가하면, 다이오드 26의 애노드-캐소드접합 전압강하와 이에 따른 다이오드 26과 저항기 35의 직렬결합의 유효저항은 감소한다.
동작온도의 넓은 범위를 갖는 온도에 대해서 부하 임피단스 60을 흐르는 전류를 불변으로 하는 것이 바람직하다. 따라서 온도에 대해 다이오드 26과 저항기 35의 직렬결합에 의해 유도된 전류 변화와, 온도에 대해 저항기 29를 흐르는 전류의 부극성 변동을 같게 하는 것이 바람직하다.
저항기 29와 35의 비율을 포함하는 관계는 다음을 고려하여 얻을 수 있다.
가) 온도에 대한 상기 VBE관계에서의 수학적유도.
나) VBE공급기 8 양단의 전압을 저항기 29의 값으로 나눈 값은 다이오드 26의 전류보다 작은 부하 임
피단스 60을 통하는 전류와 거의 같다는 사실.
다) 보상이 필요한 온도(여기서는 실내온도 25℃ 혹은 298。K이다).
라) 순방향 바이어스 반도체 PN 접합의 접합 전압강하 VBE와 이 접합의 포화전류 IS와의 관계인 다아오드 공식
(여기서 사용하는 기호는 상술한 VBE공식과 같다).
마) 온도에 대해 부하 임피단스 60를 통해 흐르는 전류의 유도식이 0과 같게 되는 것이 바람직하다는 사실.
예를들어, 실내온도에서 제1 VBE관계식은 실리콘 이중확산 접합장치에 대해 0.7V로 된다. 베이스-에미터 접합전압 VBE의 온도에 대한 유도식 결과는 실리콘 접합장치에 약-2mV/℃이다.
VBE전압공급기 8과 다이오드 26에 대한 포화전류가 같다면, 포화전류와 순방향 바이어스 베이스-에미터 접합전압의 관계식에서 저항기 35 양단의 전압이 다음과 같이 된다는 것을 알 수 있다.
여기서 IS8은 VBE전원 8의 유효 다이오드 전류이다.
온도에 대해 이 공식을 유도하면,
이 공식에서 Is8/ID26에 대한 값을 실내온도로 선택하면,는 거의 1.2×10-4V/℃가 된다. 물론 설계자는 특수회로 상태에 따라 실내온도에서의 전류비 IS8/ID26에 대한 다른 값을 선택할 수 있다. 저항기 35 양단의 온도에 대한 전압변화로 나눈 저항기 35의 값과 트랜지스터 22의 베이스-에미터 접합양단의 전압변화로 나눈 저항기 29의 부의 값(이값은 -2mV/℃로 결정되였음)과 서로 같아야 하므로, 여기서=16.6으로 된다. 다른 회로를 보면, 부하 임피단스 60내의 바람직한 전류와 단자 B+와 G간에 인가된 전압의 경우와 같이, 저항기들의 값을 최대 및 최소로 놓는다. 이러한 고려사항에서, 저항기들에 대한 값은 온도를 선택한 범위에서 좋은 결과가 되도록 정할 수 있다.
제2도에 도시된 본 발명의 제2실시예를 보면, 직류 동작전압은 점 C를 통해 정전압원 B+로부터 저항기 10, 11 및 12의 각각의 한 단자의 접속점에 인가된다.
저항기 10의 다른 단자는 트랜지스터 14의 콜렉터 및 베이스전극에 접속된다. 저항기 11의 다른 단자는 트랜지스터 15의 콜렉터와 베이스전극에 접속된다. 저항기 l2의 다른 단자는 트랜지스터 23의 에미터에 접속된다. 트랜지스터 14와 15의 에미터는 도무 트랜지스터 23의 베이스와 트랜지스터 21의 에미터에 접속된다. 트랜지스터 14와 15의 상기와 같은 접속은 트랜지스터의 콜렉터 베이스 접속이 애노드로되고 에미터가 캐소드로 되는 다이오드를 나타내는 형태라고 볼 수도 있다. 이 트랜지스터들은 다이오드로서만 작용을 하기 때문에 어떤 도전형태로도 될 수 있다. 만일 이트랜지스터들이 다른 도전형태로 되면, 에미터는 다이오드의 에노드로 되고, 콜렉터 베이스 단자는 캐소드로 된다.
트랜지스터 21의 베이스는 트랜지스터 23의 콜렉터에 접속된다. 이 접속은 전류 레귤레이터의 입력단자인 점 D를 표시한다. 점 A인 트랜지스터 21의 콜렉터는 전류 레귤레이터의 출력단자이다. .
점 D는 트랜지스터 24의 콜렉터에 접속된다. 점 A는 단자 A'를 통하여 트랜지스터 24의 베이스와 트랜지스터 22의 콜렉터에 접속된다. 트랜지스터 24의 에미터는 트랜지스터 22의 베이스와 전류모니터링(monitoring)저항기 29의 한 단자에 접속된다. 트랜지스터 22의 에미터와 저항기 29의 다른 단자는 점G에 접속된다. 트랜지스터 22와 24와 저항기 29는 전류 레귤레이터와 점 G를 통하여 출력전류통로에 구동전류를 공급하는 VBE전원 역할을 한다. 트랜지스터 25의 콜렉터는 트랜지스터 22의 베이스, 트랜지스터 24의 에미터 및 저항기 29의 접속점에 접속된다. 트랜지스터 25의 베이스도 이 접속점에 접속된다. 트랜지스터 25의 에미터는 저항기 35를 통하여 점 G에 접속된다. 이러한 형태의 트랜지스터 25의 접속은 제1도의 실시예에서 다이오드 26과 같은 기능을 수행한다.
이러한 형태의 트랜지스터 25와 저항기 35는 전류레귤레이터에 대한 정극성 온도계수 구동전류를 공급하는 소자이다. 온도가 상승하여 트랜지스터 22의 VBE가 감소하므로 VBE전원에 의해 인가되는 부극성온도계수 구동전류에 이 정극성 온도계수 구동전류가 더해지면, 실제로 온도에 무관한 입력전류가 전류 레귤레이터에 나타난다.
시동 트랜지스터 50은 콜렉터가 직류 공급전압에 접속되고 에미터가 점 A에 접속된다. 트랜지스터 50의 베이스를 회로내에 접속시킬 필요는 없다. 왜냐하면, 그 기능은 회로를 시동키도록 콜렉터에미터 누설전류를 공급하는 것 뿐이기 때문이다. 사용된 트랜지스터에 따라, 회로내의 다른 누설전류는 시동을 유도하기에 충분하고, 이 경우 트랜지스터 50은 생략될 수 있다.
트랜지스터 24가 시동트랜지스터 50의 콜렉터-에미터 누설전류에 의해 인가되는 전류에 의해 도전상태로된 뒤, 트랜지스터 24내의 콜렉터전류는 저항기 29의 값에 의해 나누어진 트랜지스터 22의 VBE값과 거의 가까와 진다.
제2도의 회로에서, 소자 10, 11, 12, 14, 15, 21 및 23은 전류 중계기(repeater)로 알려진 전류 레귤레이터의 형태를 변동시킨 것이다. 전류중계기는 입력단자(점 D)에 인가된 입력전류와 출력단자(점 A)에 인가된 그에 따른 출력전류의 비를 일정하게 하여, 출력단자에 입력단자의 전류를 일정비율로 곱한 전류가 나타나게 한다. 이 비율은 트랜지스터 23의 베이스와 직류동작전압간에 접속된 병렬 접속 다이오드와 저항기 직렬결합의 수를 가감하므로서 쉽게 변동될 수 있다. 또 이 비율은 다이오드로 사용되는 하나이상의 트랜지스터(회로에서 소자 14, 15)의 베이스 에미터 영역과 트랜지스터 23의 베이스 에미터 영역에 대한 비율을 변화시키므로서 변동시킬 수 있다.
전류 중계기의 설명에서와 같이, 트랜지스터 23의 에미터에서 흐르는 전류 즉 입력전류와, 직류 전압공급기 B+에서 저항기 10 및 11과 다이오드에 접속된 트랜지스터 14 및 15를 통하여 트랜지스터 21의 콜렉터에 흐르는 전류 즉 전류 중계기의 출력단자에 흐르는 전류의 비는 트랜지스터 14, 15 및 23의 확산 측면과 베이스-에미터 영역이 같다고 가정할 때 1 : 2로 된다. 이것은, 정상 상태하에서 트랜지스터 23의 순방향 바이어스된 에미터-베이스 접합과, 실제적으로 트랜지스터 23과 일치하는 순방향 바이어스된 다이오드가 접속된 트랜지스터 14 및 15와, 균일한 값으로 된 저항기 10, 11 및 12가 직류전압공급기 B+에 대해 실제적으로 똑 같은 임피단스통로를 표시하기 때문이다.
저항기 10, 11 및 12는 트랜지스터 14, 15 및 23의 제조공정에서 생길지도 모르는 차이의 영향을 감소시키기 위하여 추가되며 본 발명의 실시예에서는 사용하거나 삭제할 수도 있다. 이 세개의 병렬통로에는 전압공급기로부터 균등한 전류가 흐른다. 다이오드 14 및 15로 흐르는 전류는 트랜지스터 21의 콜렉터와 트랜지스터 23의 에미터를 통해 흐르며, 따라서 다이오드 14 혹은 15에서 트랜지스터 23의 콜렉터에 크기가 같은 전류를 공급한다. 여기서 베이스 전류는 콜렉터 전류에 비해 작으므로 무시되었다.
제2도의 트랜지스터 22 및 24와 저항기 29는 제1도의 VBB전압원이 된다. 이 회로의 동작은 이미 알려진 것이지만, 본 발명의 이해를 돕기 위해 아래에 다시 설명하겠다.
트랜지스터 22는 공통 에미터형태로 된다. 전위 B+가 점 C에 공급될 때, 순방향 다이오드 방향으로 그 베이스-에미터 접합 양단에 펑균 VBE전압 강하가 나타나도록 균등점이 설정된다. 이 평균 전압강하는 실내 온도 25℃의 실리콘 소자에서 약 0.7V이다. 이 평균 전압강하로 인해 트랜지스터 22에 의해 도전되는 콜렉터 전류는 트랜지스터 24를 도전상태가 되게 하고, 트랜지스터 24는 이 VBB전압강하를 유지하도록 저항기 29에 전류를 공급한다.
저항기 29양단의 전압이 VBE값 이하로 감소되므로, 트랜지스터 24의 콜렉터전압이 감소하면, 트랜지스터 22는 도전성이 감소된다. 예를들면, 트랜지스터 24의 베이스 즉 점 A'에 인가된 전압이 증가하므로서, 트랜지스터 24의 도전성이 증가하여 VBE전압강하를 유지할 수 있도록 트랜지스터 22의 베이스에 더욱 많은 전압이 인가된다. 트랜지스터 22의 베이스 전압이 균등값 이상으로 상승하면, 트랜지스터 22는 도전성이 커지므로 트랜지스터 24의 베이스전압이 낮아지고 그 도전성도 낮아진다. 이것은 차례로 트랜지스터 22의 베이스전압을 그 균등값으로 낮아지게 한다.
이러한 작용은 트랜지스터 22와 24의 콜렉터-에미터 회로를 통하고, 저항기 29를 통해 흐르는 전류가 공급전압 B+의 변동에도 불구하고 일정하게 유지되게 하며, 온도도 일정하게 유지되게 한다. 그러나, 온도변화는 보상이 없을 때는 회로의 동작에 반대영향을 준다.
트랜지스터 22의 온도가 절대기준온도 TO에서 변화함에 따라, 그 베이스-에미터 순방향 전압강하는 이미 설정된 VBE에 따라 변한다.
트랜지스터 22의 베이스-에미터 전압이 변함에 따라, 저항기 29에 인가된 전류도 역시 변화해야만 한다. 이 전류 모두가 트랜지스터 24의 콜렉터에 흐르므로, 트랜지스터 22는 온도에 역으르 트랜지스터 24의 콜렉터 전류를 변화시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 보상하고, 전류중계기의 입력단자, 즉 점 D를 통해 정전류를 접지로 유도하고, 전류중계기의 출력단자 A를 통해 정전류를 유도하기 위해, 트랜지스터 25의 베이스 전극은 VBE전압원의 감지 저항기 29에 접속된다. 트랜지스터 25의 콜렉터는 상술한 다이오드 형태로써 그 베이스에 접속된다. 정극성 및 부극성 온도계수전류는 트랜지스터 24의 에미터에서 합쳐진다. 이러한 장치의 베이스 전류는 각각의 콜렉터 전류보다 매우 작기 때문에 그 에미터 전류는 그 콜렉터 전류와 거의 같다.
제1도에 대해서 설명한 것과 동일한 방식으로, 온도에 따른 트랜지스터 25에 의해 유도된 콜렉터 전류변화는 온도에 따른 저항기 29를 통해 흐르는 전류의 변화를 보상할 수 있다. .
상술한 VBE공식을 보면, 트랜지스터 22의 VBE는 저항기 29의 값으로 나눈 트랜지스터 24의 콜렉터 전류와 같아 진다는 사실, 보상이 필요한 온도 및 온도에 따라 점 D 혹은 점 D'로 흐르는 전류의 유도공식을 0이 되게 하는 것이 바람직하다는 사실, 저항기 29와 35의 비율 관계등이 다시 얻어질 수 있다.
다른 회로에서는 저항기들의 값을 다시 결정할 필요가 있다. 여기서 저항기의 값은 온도의 일정 범위내에서 좋은 결과를 갖도록 선택한다. 실리콘 저항기 29와 35로 구성된 장치내에서, 저항기 29를 4,300Ω,저항기 35를 250Ω으로 하면 비율은 17.2가 된다. 이 경우에, 전류 중계기의 출력전류는 25℃에서 약1.02mA가 되며 25℃내지 110℃에서 약 1% 전류 변동을 나타냈다.
따라서 일정하게 선택한 온도 범위에서 점 A, D, C 및 G로 흐르는 전류는 본 발명의 보상회로로 인해 온도를 번화시켜도 일정해진다. 전류 중계기에 흐르는 입력전류는 점 D를 통해 흐른다. 중계기의 트랜지스터들은 P-N-P형이므로, 상술한 회로에서, "입력"전류는 실제로 기준전위를 향해 전류중계기에서 외부로 흘러나온다. 중계기의 "영상(image)"전류는 점 A를 통해 흐른다. 입력전류와 영상전류의 합은 직류 전압 공급기 B+로부터 점 C를 통해 흐르며, 점 G를 통해 회로의 외부로 흐른다. 여기서 입력 및 영상전류는 동작온도 이상의 온도에 무관하다. 따라서 정전류를 필요로 하는 부하회로는 정점 A와 A', C와 C', D와 D' 및 G와 기준전위 사이에 접속될 수 있다.
제3도에 도시한 본 발명의 또 다른 실시예에서 트랜지스터 25는 그 콜렉터 에미터 접속에 병렬 접속된 트랜지스터 25의 출력 임피단스인 내부 임피단스를 갖는다.
이러한 사실로서, 제3도에 도시한 본 발명의 제3실시예는 트랜지스터 25의 콜렉터는 이것의 베이스에 접속되지 않으며 트랜지스터 30의 콜렉터는 점 D에 접속된다. 트랜지스터 30의 베이스는 트랜지스터 24의 베이스에 접속된다. 트랜지스터 30의 에미터는 트랜지스터 25의 콜렉터에 접속된다. 여기서 모든 점, 소자 및 접속은 제2도에 대해서 설명한 바와 같이 될 수 있고 그 기능은 제3도에 대해서 설명한 목적에 변하지 않는다.
상술한 전류의 온도 보상성분에 대해 트랜지스터 25의 콜렉터 에미터 출력저항의 영향을 감소시키기 위해, 트랜지스터 25의 콜렉터전압은 낮은 직류전압으로 제어된다. 이것은 제3도에서와 같이 트랜지스터 30을 트랜지스터 24와 캐스코오드 형태로 접속하므로써 이루어진다. 이러한 방법에서 트랜지스터 25의 콜렉터전압은 베이스- 에미터 전압강하로 제어된다. 제3도에서 전압강하는 트랜지스터 22 혹은 25와 트랜지스터 24 양단의 베이스-에미터 전압 강하의 합계에서 트랜지스터 30의 베이스-에미터 전압강하를 뺀 값으로 될 것이다. 트랜지스터 25의 콜렉터전압은 높은 직류 전압에서 부유(float)상태로 되는 것이 아니고 베이스-에미터 전압강하로 억제된다. 따라서 그 출력저항의 효과는 최소로 된다.
제3도의 회로와 제2도 회로 사이의 차이로서 제3도에서는 정극성 및 부극성 온도계수전류가 트랜지스터 24의 에미터가 아닌 점 D'에서 합쳐진다는 것이다. 그 외의 두 회로의 동작은 실제로 비슷하다.
정극성 온도계수보상배열은 제2도와 제3도의 트랜지스터 21, 22, 23 및 24로 캐스코오드 형태로 접속된다.
다수의 트랜지스터들에 의해 유도된 정전류를 제어하는데 사용된다. 왜냐하면, 이 트랜지스터들의 모든 콜렉터전류는 온도로 보상하게 되기 때문이다. 이 정극성 온도계수 보상배열은 각각의 캐스코오드된 장치의 콜렉터를 통하는 전류 중계기의 출력전류를 캐스코오드된 장치의 수로 나눈다. 캐스코오드된 트랜지스터들은 통합전류부분이 없는 다른 베이스-에미터접합영역도 가질 수 있다.
Claims (1)
- 제1트랜지스터(22)의 온도의존성 베이스-에미터 회로 양단에 접속된 온도의존성 저항기(29), 상기온도의존성저항기(29)에 전류를 공급하기 위해서 상기 제1트랜지스터(22)의, 콜렉터와 베이스사이에 부궤환관계로 결합된 제2 트랜지스터(24), 및 제2 트랜지스터(24)의 콜렉터에 결합된 입력(D)과 제1 트랜지스터(22)의 콜렉터에 결합된 출력(A)를 갖고 있는 전류 중계기회로(10, 11, 12, 14, 15, 21, 23)들을 포함하고 있는 형태의 전류 레귤레이터회로에 있어서, 특히, 온도에 무관한 상기 전류중계기의 입력(D)과 출력(A)에서 전류를 만들기 위해 상기 제1 저항기(29) 양단에 서로 직렬관계로 접속된 제2 온도의존성저항기(35)와 반도체접합다이오드(25)를 특징으로 하는 온도보상전류 레귤레이터회로.
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