JP2009290520A - トランスインピーダンスアンプ、レギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプ及び光受信器 - Google Patents

Abstract

【課題】広ダイナミックレンジに対応し、かつ低入力時の入力変換ノイズの低減も可能なトランスインピーダンスアンプを提供する。
【解決手段】可変電流源２０１及び可変抵抗２０３、及びその制御回路２０５をトランスインピーダンスアンプに適用する。出力電圧によりトランスインピーダンスアンプの入力電流の大きさを推定し、広ダイナミックレンジ対応状態から入力換算ノイズ低減状態に移行する。これにより、入力電流の多少にとらわれず、出力信号の線形性を維持することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光受信器において受光素子から出力される電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプに係わる。

トランスインピーダンスアンプとは電流を電圧に変換するアンプのことである。

光信号を扱う光受信器において、受発光素子の性能ばらつきや信号伝送距離の違い、光信号を集光するレンズの結合効率の違いなどにより、情報処理装置毎あるいはチャネル毎に光受信器における信号電流が大きく異なることがある。

そのため、光受信器などに用いられるトランスインピーダンスアンプは、入力電流が大きい場合に波形歪み無く電流信号を電圧信号に変換するために広ダイナミックレンジを持ち、且つ、入力電流が小さい場合にはエラーが発生しないよう入力換算ノイズが小さいことが要求される。

併せて、光受信器は大容量データ伝送に向けた高帯域化が要求される。

図１は、従来のトランスインピーダンスアンプの一例を示す回路構成図である。

従来のトランスインピーダンスアンプでは、ゲートを定電圧源に接続したトランジスタ１０２と、トランジスタ１０２のドレイン端子および電源に両端子を接続した抵抗素子１０３、トランジスタ１０２のソース端子に接続された定電流源１０１、トランジスタのゲート端子に接続した定電圧源１０４で構成される。また入力信号は入力端子１０５より入力され、出力信号は出力端子１０６より出力される。

このトランスインピーダンスアンプは、入力端子に電流信号が入力されると、抵抗素子１０３に流れる電流が変化して、抵抗素子１０３の素子値と電流の変動量との積に比例した電圧信号が出力端子に出力される。

この回路構成は、ゲート接地の構造であり入力インピーダンスが低いことから、高帯域化に向いている。

このトランスインピーダンスアンプの変形として、特開平１１−２０５０４７号公報（特許文献１）記載の技術が上げられる。この特許文献では、定電流源１０１の電流値を可変とすることで、入力電流が増加しても可変電流源の電流値が入力電流に追従して増加する。このため、大入力時にも波形を出力することができるというものである。
特開平１１−２０５０４７号公報

しかし、従来の回路で、広ダイナミックレンジを実現するには、定電流源の電流値を最大入力電流以上に設定する必要がある。このため、トランジスタにおける電流起因のノイズを低減することが困難である。

また、トランジスタの微細化により電源電圧を低電圧化してトランジスタを動作させる必要がある。このため、トランジスタを飽和領域で動作させるには、抵抗値を大きくすることが出来ず、トランスインピーダンスアンプの利得を大きくすることが出来ない。このことから、後段の回路ノイズが入力換算ノイズとして大きく影響する。

一方、入力換算ノイズを小さくするには、定電流源１０１の電流値を小さくし、且つ、抵抗素子１０３の素子値を大きくする必要があるため、広ダイナミックレンジ化が困難となる。このため、従来回路では、入力電流が異なる場合でも、波形歪み無く電流信号から電圧信号に変換し、且つ、入力換算ノイズを小さくすることが困難であった。

本発明の目的は、広ダイナミックレンジに対応し、かつ低入力時の入力変換ノイズの低減も可能なトランスインピーダンスアンプを提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。

本発明の代表的な実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプは、第１のトランジスタを有し、第１のトランジスタのソース端子に可変電流源及び入力端子が接続され、第１のトランジスタのドレイン端子に出力端子及びドレイン端子の電位を決定する抵抗素子が接続され、この抵抗素子が可変抵抗であることを特徴とする。

また、このトランスインピーダンスアンプは、更に制御回路を有し、この制御回路が可変電流源及び可変抵抗を制御することを特徴としても良い。この制御回路は、出力端子の出力信号を検出して可変電流源及び可変抵抗を制御することを特徴としても良い。

このトランスインピーダンスアンプの可変電流源は、２以上のトランジスタより構成されることを特徴としても良い。

さらに、第２のトランジスタを有する、このトランスインピーダンスアンプの場合には、第２のトランジスタのソース端子には、第１のトランジスタのソース端子と同じ可変電流源及び入力端子が接続され、第２のトランジスタのゲート端子は制御回路によって制御されることを特徴としても良い。

本発明の代表的な実施の形態に関わるレギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプは、可変電流源と、トランジスタと、抵抗素子とで構成され、入力端子にトランスインピーダンス調整回路が接続され、出力信号に応じてトランスインピーダンス調整回路が可変電流源の電流値を調整することを特徴としても良い。

これらのトランスインピーダンスアンプ及びレギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプを光受信器に用いることも本発明の射程に入る。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。

本発明の代表的な実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプにより、入力電流が大きい場合、広ダイナミックレンジ化により波形歪み無く電流信号から電圧信号に変換することが可能となる。

また、入力電圧が小さい場合には、定電流源の電流量を小さくすることで電流起因ノイズを小さくし、かつ利得を大きくすることで後段の回路ノイズの影響を低減する。これによりノイズによるエラーの発生を抑えることが可能となる。

以下、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプについて説明する。図２は本発明の第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの回路構成図である。また、図３は、制御回路２０５の構成を示すブロック図である。

このトランスインピーダンスアンプは可変電流源２０１、トランジスタ２０２、可変抵抗２０３、定電圧源２０４、制御回路２０５、メモリ２０６を備える。また入力端子２０７及び出力端子２０８も含む。なお、図中の６１１、６１２、６１３は図３の説明で用いるものであり、ここでは説明を省く。

可変電流源２０１は、一方の端子をトランジスタのソース端子に接続され、他方が接地される可変電流源である。この可変電流源２０１の電流量は制御信号Ｓ_Ｂによって制御される。この可変電流源２０１の具体的な構成は、トランジスタの並列数を切り替える方法でも、トランジスタのゲート電圧を調整する方法でも本発明の効果は得られる。

トランジスタ２０２は本回路における増幅回路である。このトランジスタ２０２は電界効果型トランジスタでもバイポーラトランジスタでも同様に動作する。

このトランジスタ２０２のゲート端子は定電圧源に接続される。このトランジスタ２０２のソース端子は可変電流源２０１と接続される。このソース端子と可変電流源２０１との接続点に対して、入力端子２０７から入力信号が入力される。またトランジスタ２０２のドレイン端子は可変抵抗２０３を介して電源Ｖｃｃに接続される。このトランジスタ２０２のドレイン端子と可変抵抗２０３の接続点から出力端子２０８に対し、トランジスタ２０２によって増幅された信号が出力される。

可変抵抗２０３は、トランジスタ２０２のドレイン端子の電位を定めるための可変抵抗である。可変抵抗２０３の実現方法は抵抗素子の並列数を切り替える方法でも、トランジスタを負荷抵抗として用い、そのゲート電圧を調整する方法でも良い。

定電圧源２０４は、トランジスタ２０２のゲート端子の電位を定める定電圧源である。

制御回路２０５は出力端子２０８の信号を検出して可変電流源２０１及び可変抵抗２０３の制御を行う制御回路である。制御回路２０５は可変電流源２０１に対して制御信号Ｓ_Ｂを、可変抵抗２０３に対して制御信号Ｓ_Ｒを出力する。

この制御回路２０５の動作について説明する。

入力端子２０７から入力される入力電流が大きい場合、比例して出力端子２０８に流れる出力電流も大きくなる。このとき、制御回路２０５は可変電流源２０１の電流量を大きくし、かつ、可変抵抗２０３の抵抗値を小さくすべく制御信号Ｓ_Ｂおよび制御信号Ｓ_Ｒを出力する。

一方、入力端子２０７から入力される入力電流が小さい場合、比例して出力電流２０８も小さくなる。このとき、制御回路２０５は可変電流源２０１の電流量を小さくし、かつ、可変抵抗２０３の抵抗値を大きくすべく制御信号Ｓ_Ｂおよび制御信号Ｓ_Ｒを出力する。

この制御回路２０５は、トランジスタ６０１、トランジスタ６０２及びコンデンサ６０３よりなるピークホールド回路６０８、比較器６０４、リセット回路６０５、乗算器６０６、乗算器６０７より構成される（図３参照）。

なお、６１１、６１２、６１３は図２とのつながりの指標であり、回路的に何がしかの効果を奏する点ではない。一方、リファレンス電圧６１０は比較器６０４の閾値となる入力電圧であり、図２中には存在しない。

ピークホールド回路６０８は、スイッチの機能を有するトランジスタ６０１、トランジスタ６０２及びピークホールドの機能を発揮するためのコンデンサ６０３より構成される。トランジスタ６０１のＯＮ・ＯＦＦの動作はトランジスタ２０２の増幅信号（トランスインピーダンス）が行う。一方、トランジスタ６０２のＯＮ・ＯＦＦの動作はリセット回路６０５の出力信号によって行う。トランジスタ６０１のスイッチがＯＮの状態ではコンデンサ６０３に対して電荷が蓄積される。一方、トランジスタ６０２がＯＮの状態ではコンデンサ６０３に蓄積された電荷が除去される。

コンデンサ６０３に蓄積された電荷によって、比較器６０４に入力される出力電圧Ｖｘが決定される。この出力電圧Ｖｘは出力端子２０８の出力電圧の最大値を保持することとなる。

入力端子６１３にトランスインピーダンスアンプの出力が入力されると、トランジスタ６０１のゲート端子に入力され、トランジスタ６０１がスイッチとして動作する。これにより、トランスインピーダンスアンプの出力に比例した電荷がコンデンサ６０３に蓄積される。コンデンサ６０３に蓄積された電荷により、比較器６０４の入力の一端にトランスインピーダンスアンプの出力に比例した出力電圧Ｖｘが誘起される。

比較器６０４はピークホールド回路６０８の出力電圧Ｖｘとリファレンス電圧６１０を比較する。リファレンス電圧６１０よりピークホールド回路６０８の出力電圧Ｖｘが大きい場合に、比較器６０４は制御信号を出力する。比較器６０４の出力信号に調整係数Ｃ_Ｒ、調整期計数Ｃ_Ｂを乗算した後、制御信号Ｓ_Ｒ、制御信号Ｓ_Ｂとして可変抵抗２０３、可変電流源２０１に対して制御回路２０５は出力する。また、比較器６０４の出力信号はリセット回路６０５にも出力される。

比較器６０４の出力信号を受けて、リセット回路６０５はトランジスタ６０２のゲート端子に信号を出力する。これにより、コンデンサ６０３に蓄積された電荷が除去される。

リファレンス電圧６１０はトランスインピーダンスの出力電圧Ｖｘと比較するための電圧である。本発明においては、出力信号に含まれるノイズを検出するための閾値を設定することになるが、この閾値を決定するのがリファレンス電圧６１０である。

比較器６０４はリファレンス電圧６１０とピークホールド回路６０８の出力電圧Ｖｘを対比する。ピークホールド回路６０８の出力電圧Ｖｘが一定値以上になると、広ダイナミックレンジに対応する。

メモリ２０６は、個々の制御回路２０５のばらつきを調整するための調整係数Ｃ_Ｒ、調整期計数Ｃ_Ｂを制御回路２０５に対して出力する回路である。この設定を変更することで、各光受信器の制御回路２０５の微調整を行う。

次に、この回路の特性及び用途について説明する。

図４は、可変電流源２０１の電流値を大きくし、可変抵抗２０３の抵抗値を小さくすることによる、広ダイナミックレンジ対応時の、このトランスインピーダンスアンプの入出力特性を表すグラフである。また、図５は図４の条件での、このトランスインピーダンスアンプの入力換算ノイズの周波数特性を表すグラフである。図４を見ても分かるとおり、入出力特性においては、全入力範囲（０ｍＡ〜０．９ｍＡ）に対して、出力電圧が線形に変化しており、広ダイナミックレンジを実現していることが分かる。一方、入力換算ノイズは最低でも２．０Ｅ−１１Ａ／√Ｈｚであり、比較的高い。

一方、図６は可変電流源２０１の電流値を小さくし、可変抵抗２０３の抵抗値を大きくすることにより、入力換算ノイズを低減した場合のこのトランスインピーダンスアンプの入出力特性を表すグラフである。図７は図６の条件でのこのトランスインピーダンスアンプの入力換算ノイズの周波数特性を表す。このトランスインピーダンスアンプの広ダイナミックレンジ対応時に比べ、歪み無く電流信号から電圧信号に変換できる有効なレンジの幅は広くない（０ｍＡ〜０．３ｍＡ）。一方で、入力換算ノイズは全周波数範囲において低減している。

本トランスインピーダンスアンプの使用に際しては、入力電流が大きいときに広ダイナミックレンジに対応することを想定している。したがって、入力換算ノイズが比較的大きくなっても、ノイズによるトランスインピーダンスアンプのエラーの発生等の悪影響は及ばない。

一方、入力換算ノイズを低減した場合には、入出力特性において非線形区間（図６の（ｂ）区間）が発生するが、非線形区間での使用は想定していないため、これも問題とはならない。

次に、この回路の具体的な動作について説明する。

図８は入力換算ノイズ低減時に、制御回路２０５が動作した場合の、このトランスインピーダンスアンプの入出力特性を示す。一方、図９は広ダイナミックレンジ対応時に、制御回路２０５が動作した場合の、このトランスインピーダンスアンプの入出力特性を示す。

図８と図９を対比すれば分かるように図８は入力電流に比例して出力電圧が上昇する期間が短い（３．０Ｅ−０４Ａまで）。一方、図９ではこの区間が約６．０Ｅ−０４Ａまで伸びる。本発明に関わる制御回路２０５の、この切り替えの手段を以下で説明する。

ここでは初期状態は図８の入力換算ノイズを低減時のものとして想定する。

入力端子２０７から入力される入力電流範囲（出力端子２０８の電圧に反映される）が図９の０ｍＡないし０．５ｍＡの場合、ピークホールド回路６０８の出力電圧Ｖｘ（＝出力端子２０８の出力電圧の最大値）がリファレンス電圧６１０以下となるようにリファレンス電圧６１０を設定する。

一方、０．５ｍＡを越えるとピークホールド回路６０８の出力電圧Ｖｘ（＝出力端子２０８の出力電圧の最大値）がリファレンス電圧６１０以上になる。このときに、制御回路２０５の比較器６０４が制御信号を発し、リセット回路６０５はコンデンサ６０３に蓄積された電荷が除去されるようトランジスタ６０２のゲート端子に信号を出力する。このコンデンサ６０３の電荷の除去によりピークホールド回路６０８の出力電圧Ｖｘはリファレンス電圧６１０以下にもどる。

また６１１、６１２経由で可変抵抗２０３及び可変電流源２０１に対し、比較器６０４の制御信号から生成された制御信号Ｓ_Ｒと制御信号Ｓ_Ｂが出力される。これにより、可変抵抗２０３及び可変電流源２０１は図９の広ダイナミックレンジ対応時の特性に移行することができる。

なお、図９の広ダイナミックレンジ対応時から図８の入力換算ノイズ低減時に戻る際には、図示しない回路によって出力端子２０８の出力振幅が所望の振幅より小さい場合に可変電流源２０１及び可変抵抗２０３の特性を切り替える。

以上の動作により、入力範囲において波形にひずみ無く電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプを実現することが可能となる。

（第２の実施の形態）
図１０は本発明の第２の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの回路構成図である。これを用いて第２の実施の形態について説明する。

このトランスインピーダンスアンプはトランジスタ３０１、トランジスタ３０６より構成される可変電流源と、ゲート接地のトランジスタ３０２、トランジスタ３０７と、抵抗素子３０３、３０８と制御回路３０９及びメモリ３１０より構成される。また、入力端子３１１及び出力端子３１２を入出力端子として有する。

トランジスタ３０１、トランジスタ３０６より構成される可変電流源は第1の実施の形態の可変電流源２０１に相当する。トランジスタ３０６は、可変電流源の電流量を調整する回路として用いられる。なお、この図ではトランジスタを２つ並列化したものを用いているが、３つ以上のトランジスタを並列化することでも同様の効果が得られる。

抵抗素子３０３は第１の実施の形態の可変抵抗２０３と異なり固定抵抗値を取る。この代わりに、トランジスタ３０７及び抵抗素子３０８がトランスインピーダンスを調整するための回路として配置されている。なお、トランスインピーダンスを切り替える回路として、トランジスタ３０６と抵抗素子３０８を複数並列化しても同様の効果が得られる。

制御回路３０９は、出力端子３１２の出力電圧に応じて、トランジスタ３０６及びトランジスタ３０７のゲート端子を制御（ＯＮ・ＯＦＦ）することで、可変電流源の電流量及びトランスインピーダンスを調整する回路である。

本実施の形態ではトランジスタ３０６及びトランジスタ３０７のＯＮ・ＯＦＦを切り替えることで、広ダイナミックレンジ対応と入力換算ノイズ低減対応とを切り替えることができる。これにより、第１の実施の形態に比べ、トランスインピーダンスアンプを構成する素子数を減らすことが可能になる。また、可変抵抗素子に用いられるトランジスタの非線形動作の影響が抑えられるので、より波形歪みの無い出力信号を得ることが可能となる。

（第３の実施の形態）
図１１は本発明の第３の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの回路構成図である。これを用いて第３の実施の形態について説明する。

このトランスインピーダンスアンプは可変電流源４０１、トランジスタ４０２、抵抗素子４０３、トランジスタ４０４、抵抗素子４０５、トランジスタ４０６、抵抗素子４０７、トランジスタ４０８、抵抗素子４０９、トランジスタ４１０、制御回路４１１、メモリ４１２より構成される。また、このトランスインピーダンスアンプは入出力端子として入力端子４１３及び出力端子４１４を有する。

可変電流源４０１は第１の実施の形態の可変電流源２０１同様の機能を有する。

トランジスタ４０２、抵抗素子４０３、トランジスタ４０４、抵抗素子４０５はレギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプを構成する。

トランジスタ４０６、抵抗素子４０７、トランジスタ４０８、抵抗素子４０９、トランジスタ４１０はトランスインピーダンス調整回路４２０を構成する。トランスインピーダンス調整回路４２０は制御回路４１１によりトランジスタ４１０のＯＮ・ＯＦＦを制御することで、このトランスインピーダンスアンプの特性を切り替える。

本実施の形態ではレギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプを使用することで、第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプに比べ周波数帯域を広帯域化することができる。これにより、第1の実施の形態に比べ本実施の形態のトランスインピーダンスアンプは大容量データ転送の用途に向く。

（第４の実施の形態）
図１２は本発明の上記トランスインピーダンスアンプを搭載したＬＳＩを適用した装置形態を示す。本発明のトランスインピーダンスアンプの制御回路の出力信号を、リアルタイムに観測可能な制御信号モニタ９０１を装置上に設けることで、装置の経年変化や温度変動を確認することができ、装置の信頼性を向上することが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

本発明に関わるトランスインピーダンスアンプは、光受信器に用いられることを想定しているが、必ずしもこれには限られない。トランスインピーダンスアンプに線形性を要求する分野においては適用の余地がある。

従来のトランスインピーダンスアンプの一例を示す回路構成図である。 第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの回路構成図である。 第１の実施の形態に関わる制御回路の構成を示すブロック図である。 広ダイナミックレンジ対応時の、第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの入出力特性を表すグラフである。 広ダイナミックレンジ対応時の、第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの入力換算ノイズの周波数特性を表すグラフである。 入力換算ノイズを低減時の、第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの入出力特性を表すグラフである。 入力換算ノイズを低減時の、第１の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの入力換算ノイズの周波数特性を表すグラフである。 入力換算ノイズ低減時に、制御回路が動作した場合の、このトランスインピーダンスアンプの入出力特性を示す。 広ダイナミックレンジ対応時に、制御回路が動作した場合の、このトランスインピーダンスアンプの入出力特性を示す。 第２の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの回路構成図である。 第３の実施の形態に関わるトランスインピーダンスアンプの回路構成図である。 本発明に関わるトランスインピーダンスアンプを搭載したＬＳＩを適用した装置形態を示す。

符号の説明

２０１…可変電流源、２０２…トランジスタ、２０３…可変抵抗、
２０４…定電圧源、２０５…制御回路、２０６…メモリ、２０７…入力端子、
２０８…出力端子、３０１…トランジスタ、３０２…トランジスタ、
３０３…抵抗素子、３０６…トランジスタ、３０７…トランジスタ、
３０８…抵抗素子、３０９…制御回路、３１０…メモリ、
４０１…可変電流源、４０２…トランジスタ、４０３…抵抗素子、
４０４…トランジスタ、４０５…抵抗素子、４０６…トランジスタ、
４０７…抵抗素子、４０８…トランジスタ、４０９…抵抗素子、
４１０…トランジスタ、４１１…制御回路、４１２…メモリ、
４２０…トランスインピーダンス調整回路、
６０１…トランジスタ、６０２…トランジスタ、６０３…コンデンサ、
６０４…比較器、６０５…リセット回路、６０６…乗算器、６０７…乗算器、
６０８…ピークホールド回路。

Claims (7)

1. 第１のトランジスタを有し、前記第１のトランジスタのソース端子に可変電流源及び入力端子が接続され、前記第１のトランジスタのドレイン端子に出力端子及び前記ドレイン端子の電位を決定する抵抗素子が接続されるトランスインピーダンスアンプであって、
   前記抵抗素子が可変抵抗であることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
2. 請求項１に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、更に制御回路を有し、前記制御回路が前記可変電流源及び前記可変抵抗を制御することを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
3. 請求項２に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、前記出力端子の出力信号を検出して前記制御回路が前記可変電流源及び前記可変抵抗を制御することを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
4. 請求項１に記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、前記可変電流源が２以上のトランジスタより構成されることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
5. 請求項１記載のトランスインピーダンスアンプにおいて、更に制御回路と第２のトランジスタを有し、
   前記第２のトランジスタのソース端子には、前記第１のトランジスタのソース端子と同じ可変電流源及び入力端子が接続され、
   前記第２のトランジスタのゲート端子は前記制御回路によって制御されることを特徴とするトランスインピーダンスアンプ。
6. 可変電流源と、トランジスタと、抵抗素子とで構成されるレギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプにおいて、入力端子にトランスインピーダンス調整回路が接続され、出力信号に応じて制御回路により前記可変電流源の電流値および前記トランスインピーダンス調整回路を調整することを特徴とするレギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプ。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のトランスインピーダンスアンプ又は請求項６に記載のレギュレイテッド型トランスインピーダンスアンプを含むことを特徴とする光受信器。

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