混合信号读出电路优化

20/24混合信号读出电路优化第一部分确定混合信号应用的性能要求 2第二部分分析不同放大器拓扑的优点和缺点 4第三部分优化差分放大器的偏移和增益 8第四部分减少反馈路径中的噪声和失真 10第五部分补偿滤波器的相频响应特性 12第六部分提高ADC采样和保持电路的准确性 14第七部分优化电源分布以减小噪声耦合 17第八部分考虑布线和布局以最大限度减少噪声和寄生效应 20

第一部分确定混合信号应用的性能要求关键词关键要点采样速率和分辨率

1.采样速率决定了电路能够捕获信号变化的时间特性。

2.分辨率指定了电路可区分的最小模拟信号幅度变化。

3.选择采样速率和分辨率的平衡对于确保信号捕获和数字化之间的最佳折衷至关重要。

信噪比（SNR）

1.SNR测量混合信号读出电路区分信号和噪声的能力。

2.高SNR对于高精度测量和最小化失真至关重要。

3.噪声源包括热噪声、闪烁噪声和电路噪声。

总谐波失真（THD）

1.THD测量混合信号读出电路引入信号失真的程度。

2.低THD对于确保信号完整性并最小化谐波失真至关重要。

3.失真可能由线性度有限的放大器、非线性响应或时序错误引起。

共模抑制比（CMRR）

1.CMRR测量混合信号读出电路抑制共模信号的能力。

2.高CMRR对于消除共模干扰并确保信号精度至关重要。

3.差分放大器和仪表放大器等技术用于提高CMRR。

输入阻抗

1.输入阻抗确定混合信号读出电路对信号源的影响程度。

2.高输入阻抗对于避免加载信号源和影响其性能非常重要。

3.阻抗匹配技术和缓冲器放大器可用于优化输入阻抗。

带宽

1.带宽定义了混合信号读出电路能够处理的频率范围。

2.选择与目标信号频率范围相匹配的带宽至关重要。

3.带宽与采样速率、分辨率和噪声性能密切相关。确定混合信号应用的性能要求

在设计混合信号读出电路之前，至关重要的是仔细确定系统的性能要求。这些要求将影响电路的设计和实现。以下是一些需要考虑的关键性能参数：

1.分辨率

分辨是系统可以区分的最小可检测信号变化。它通常以位数表示，例如12位或16位。更高的分辨率可以提供更细粒度的测量，但也会增加电路的复杂性和成本。

2.带宽

带宽是系统响应频率范围的度量。它指定系统能够准确捕获信号的最高频率。例如，对于语音应用，带宽可能在300Hz到3400Hz之间。

3.灵敏度

灵敏度是系统检测最小可检测信号的能力。它通常以毫伏(mV)表示。更高的灵敏度可以检测更小的信号，这在低电平测量应用中非常重要。

4.线性度

线性度是系统响应与输入信号成线性关系的程度。非线性会引入失真，并可能影响系统的准确性。线性度通常以非线性误差(NL)或总谐波失真(THD)来衡量。

5.信噪比(SNR)

信噪比是系统输出信号的强度与噪声信号的强度之间的比率。它决定了系统抑制噪声的能力，并表示为分贝(dB)。

6.动态范围

动态范围是系统能够检测的最强信号和最弱信号之间的差。它通常以分贝(dB)表示。更高的动态范围可以处理更大的信号变化。

7.失真

失真定义为输入和输出信号之间波形的任何差异。它可以由非线性、噪声或其他因素引起。失真通常以总谐波失真(THD)或互调失真(IMD)来衡量。

8.稳定性

稳定性是指系统在输入信号变化时保持稳定状态的能力。不稳定的系统可能会出现振荡或其他不希望的行为。

9.响应时间

响应时间是系统对输入信号变化做出响应所需的时间。它通常以毫秒(ms)或微秒(μs)表示。对于实时应用，响应时间通常需要尽可能短。

10.功耗

功耗是系统消耗的电能。对于便携式或电池供电的应用，低功耗非常重要。

通过仔细确定混合信号应用的这些性能要求，可以为电路设计提供一个明确的目标。这将有助于确保电路能够满足系统要求并提供所需的性能水平。第二部分分析不同放大器拓扑的优点和缺点关键词关键要点运算放大器拓扑

1.同相放大器：

-具有高输入阻抗，可防止信号源加载。

-增益高，可提供较大的电压增益。

-单位增益带宽较高，可处理高频信号。

2.反相放大器：

-具有低输入阻抗，可与低阻抗源配合使用。

-提供反相输出，可用于求反信号。

-具有虚短输出，可驱动高负载。

3.差分放大器：

-具有高共模抑制比，可滤除共模噪声。

-对输入和输出信号具有对称特性，可实现高保真度放大。

-可用于比较两个信号的差值或进行运算。

仪表放大器拓扑

1.三运算放大器仪表放大器：

-具有极高的输入阻抗，可最大限度地减少信号源加载。

-可提供高增益，同时保持良好的共模抑制。

-具有出色的线性度和温度稳定性。

2.两运算放大器仪表放大器：

-具有更高的增益范围和更宽的频率响应。

-比三运算放大器仪表放大器更简单，占用的电路板空间更少。

-具有较低的输入阻抗和较差的共模抑制。

3.单运算放大器仪表放大器：

-极简的电路设计，具有最低的元件数量和成本。

-具有有限的增益范围和共模抑制能力。

-适用于增益要求不高且共模噪声较小的应用。分析不同放大器拓扑的优点和缺点

引言

在混合信号读出电路中，放大器是关键组件，其性能对系统整体性能至关重要。根据不同的设计要求，有各种放大器拓扑可用，每种拓扑都有其独特的优点和缺点。本文将分析以下几种常见的放大器拓扑：反相放大器、非反相放大器、差分放大器和仪表放大器。

反相放大器

*优点：

*低输入阻抗，适合连接到低阻抗源

*高增益，可轻松实现大增益

*低失真，适用于要求高保真度的应用

*缺点：

*输出相对于输入反转，可能不适合某些应用

*容易受到共模噪声的影响

*放大直流分量，可能需要附加耦合电容

非反相放大器

*优点：

*高输入阻抗，适用于连接到高阻抗源

*输出相对于输入非反转

*放大交流分量，不放大直流分量

*缺点：

*增益通常较低，可能需要级联多个放大器

*容易受到噪声的影响

*放大低频信号时需要耦合电容

差分放大器

*优点：

*高共模抑制比，可抑制共模噪声

*高增益，但增益公式更复杂

*可以实现差分输入和差分输出

*缺点：

*电路复杂，需要匹配的元件

*容易受到温度漂移的影响

*大信号输入时可能会饱和

仪表放大器

*优点：

*极高的共模抑制比，适用于测量微小信号

*高输入阻抗和低输出阻抗，适合连接各种信号源

*增益可调，可根据需要调整

*缺点：

*电路复杂，成本较高

*带宽可能有限，不适用于高频应用

*可能会出现偏移和漂移，需要定期校准

拓扑选择指南

选择合适的放大器拓扑取决于特定的应用要求。以下是一些通用准则：

*低阻抗源：使用反相放大器或仪表放大器。

*高阻抗源：使用非反相放大器或仪表放大器。

*需要高共模抑制：使用差分放大器或仪表放大器。

*要求高增益：使用反相放大器或差分放大器。

*不需要高增益：使用非反相放大器。

*需要放大直流分量：使用反相放大器。

*需要放大交流分量：使用非反相放大器。

*需要高保真度：使用反相放大器或仪表放大器。

*成本敏感：考虑反相放大器或非反相放大器。

*高温应用：选择具有低温漂移的放大器。

结论

不同的放大器拓扑拥有各自的优点和缺点。通过了解这些特点，设计人员可以针对特定的应用要求选择最佳拓扑。通过仔细考虑电路性能、电源限制、成本和可用元件，可以优化混合信号读出电路的性能。第三部分优化差分放大器的偏移和增益关键词关键要点【优化差分放大器的偏移和增益】

1.通过匹配输入对管的偏置电流和跨导可以降低偏移。

2.使用反馈电阻或有源负载可以实现增益的精确控制。

3.改善差分放大器的共模抑制比以降低共模噪声的影响。

【提高差分放大器的线性度和带宽】

优化差分放大器的偏移和增益

偏移优化

差分放大器的偏移是由输入级和输出级元件的失配引起的。优化偏移量涉及以下技术：

*激光修剪：这是一种在生产过程中去除或补偿失配的高精度技术。激光修剪调整电阻或电容的值，以精确匹配器件。

*选配元件：精心匹配输入和输出级元件，以最小化失配。这需要严格的制造公差和严谨的测试程序。

*自校准电路：使用反馈或其他技术自动补偿偏移量变化。自校准电路可以动态调整放大器增益或偏移点。

增益优化

差分放大器的增益是由输入级和输出级的阻抗匹配决定的。优化增益涉及以下技术：

*反馈网络：反馈网络可以用于稳定增益并将其设置为所需值。反馈网络可以采用各种形式，例如电阻分压器或运放。

*共模反馈：共模反馈电路可用于消除共模输入信号的影响，从而保持差分增益稳定。共模反馈电路通常使用运放或仪表放大器。

*输出缓冲器：输出缓冲器可以用于驱动负载而不影响放大器的增益。输出缓冲器可以采用各种形式，例如晶体管放大器或运算放大器。

具体优化方法

偏移优化：

*使用激光修剪技术去除或补偿输入级和输出级元件的失配。

*精心匹配输入和输出级元件，以最小化失配。

*使用自校准电路，如斩波稳定器或斩波放大器，动态补偿偏移量变化。

增益优化：

*使用反馈网络（如电阻分压器或运算放大器）稳定增益并将其设置为所需值。

*使用共模反馈电路消除共模输入信号的影响。

*使用输出缓冲器驱动负载而不影响放大器的增益。

示例优化电路


上图所示电路是一个优化用于低偏移和高增益的差分放大器示例。电路采用激光修剪电阻器来去除输入级元件的失配，并采用自校准斩波稳定器来补偿偏移量变化。反馈网络用于稳定增益并将其设置为所需值。共模反馈电路用于消除共模输入信号的影响。输出缓冲器采用晶体管放大器，以驱动负载而不影响放大器的增益。

通过使用上述优化技术，差分放大器的偏移量和增益可以优化到非常低的值，从而使其适用于各种高精度应用。第四部分减少反馈路径中的噪声和失真关键词关键要点降低运算放大器噪声

1.选择具有低噪声密度的运算放大器。低噪声运算放大器具有较低的等效输入噪声电压和电流，从而减少来自运算放大器本身的噪声贡献。

2.使用滤波器减少宽带噪声。低通滤波器可消除高频噪声分量，而高通滤波器可去除低频噪声分量。

3.优化反馈网络元件。反馈网络中的电阻值会影响噪声增益，从而影响混合信号读出电路的噪声性能。

优化反馈环路稳定性

1.保持足够的相位裕度。相位裕度是反馈环路稳定性的关键指标，它确保环路在出现干扰时能够快速稳定下来。

2.使用补偿技术。补偿技术可帮助改善相位裕度，例如使用电容器或电阻器进行频域补偿，或使用运算放大器的内置补偿功能。

3.考虑时延的影响。反馈环路中的时延可能会降低稳定性，因此需要采取措施补偿时延，例如使用预测滤波器或时间延迟估算。

减少反馈路径失真

1.线性化运算放大器。非线性失真的主要来源之一是运算放大器本身的非线性。使用具有高线性度或采用线性化技术的运算放大器可以显著降低失真。

2.使用低失真元件。反馈网络中的电阻器和电容器的失真度也会影响整体失真性能。选择具有低谐波失真和温度稳定的元件至关重要。

3.考虑非理想反馈网络的影响。反馈网络中元件的非理想性，例如电阻非线性或电容寄生效应，可能会引入额外的失真。减少反馈路径中的噪声和失真

在混合信号读出电路中，反馈路径是一个关键环节，它决定了电路的稳定性和性能。然而，反馈路径也可能成为噪声和失真的来源。因此，为了实现最佳性能，必须采取措施来减少这些有害影响。

噪声

反馈路径中的噪声主要来自运算放大器的输入失调电压和噪声电流。输入失调电压是运算放大器的输入引脚之间存在的电压差，即使在没有输入信号的情况下也是如此。噪声电流是运算放大器输入引脚之间流动的随机电流。

为了减少反馈路径中的噪声，可以使用以下技术：

*使用低噪声运算放大器：选择具有低输入失调电压和噪声电流的运算放大器。

*增加反馈电阻：增加反馈电阻可以降低反馈路径中噪声的增益。

*使用电容耦合：在反馈路径中加入电容耦合可以旁路低频噪声。

*使用差分放大器：差分放大器可以抑制共模噪声。

失真

反馈路径中的失真主要是由运算放大器的非线性引起的。当运算放大器的输入信号幅度过大时，输出信号将出现失真。

为了减少反馈路径中的失真，可以使用以下技术：

*使用高线性度运算放大器：选择具有低失真度和宽带宽的运算放大器。

*限制输入信号幅度：将输入信号幅度限制在运算放大器的线性范围内。

*使用负反馈：负反馈可以降低运算放大器输出端的失真。

*使用前馈补偿：前馈补偿可以补偿运算放大器的频率响应，从而减少失真。

其他考虑因素

除了噪声和失真之外，在优化反馈路径时还需要考虑以下因素：

*稳定性：反馈路径必须设计为稳定的，以防止振荡。

*带宽：反馈路径的带宽应足以满足应用要求。

*相移：反馈路径的相移应保持在小于180°，以确保稳定性。

通过仔细考虑和实施这些技术，可以优化混合信号读出电路的反馈路径，从而改善整体性能、减少噪声和失真。第五部分补偿滤波器的相频响应特性补偿滤波器的相频响应特性

补偿滤波器作为混合信号读出电路的关键组件，其相频响应特性对系统整体性能至关重要。理想情况下，补偿滤波器的相频响应应满足以下要求：

平坦幅频响应：在信号带宽范围内，滤波器的幅频响应应保持平坦，以尽量减少信号失真。

线性相位响应：在信号带宽范围内，滤波器的相位响应应线性变化，以避免信号时延失真。

单位增益：在信号带宽范围内，滤波器的增益应为单位，以保持信号幅度不变。

过渡带：在信号带宽之外，滤波器应以足够的速率衰减信号，以抑制噪声和混叠。

相位裕量：在单位增益带宽处，滤波器应提供足够的相位裕量，以确保系统稳定性。

补偿滤波器的相频响应特性会受到以下因素的影响：

滤波器类型：不同类型的滤波器（如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器）具有不同的相频响应特性。

极点和零点：滤波器的极点和零点决定其相位响应的形状。极点会引入相位滞后，而零点会引入相位超前。

反馈网络：补偿滤波器的反馈网络会影响其相位响应。正反馈会增加相位裕量，而负反馈会降低相位裕量。

设计补偿滤波器时，应根据系统要求仔细考虑其相频响应特性。以下是一些优化相频响应的常用技术：

级联滤波器：通过级联多个滤波器，可以获得更陡峭的滚降和更低的相位失真。

相位补偿：通过添加附加的相位补偿网络，如全通滤波器，可以调整滤波器的相位响应。

共轭复极点：通过将滤波器的极点置于共轭复平面上，可以实现线性相位响应。

优化补偿滤波器的相频响应特性至关重要，因为它可以：

*改善信号保真度

*提高系统稳定性

*降低噪声和混叠

*满足特定的应用要求

通过仔细设计和优化，补偿滤波器可以成为混合信号读出电路中至关重要的性能增强组件。第六部分提高ADC采样和保持电路的准确性关键词关键要点提高ADC采样和保持电路的准确性

1.减少失调和噪声：

-使用高精度运算放大器，具有低失调和低噪声密度。

-采用差分放大器结构，以共模抑制噪声和失调。

-使用外部参考电压源，以提供稳定的参考电压。

2.增加采样保持时间：

-延长采样保持时间，以允许输入信号充分沉降。

-使用大电容值，以增加采样保持电路的容性负载。

-优化采样保持开关的导通电阻，以最大化电容充电速度。

提高ADC采样速率

1.减小采样保持电容器的容性负载：

-使用小电容值，以减小采样保持电路的容性负载。

-采用片上采样保持电路，以减小寄生电容。

-使用多路复用器或时分复用器，以共享单个采样保持电容器。

2.优化采样保持开关的切换速度：

-使用高速采样保持开关，具有快速的开关速度。

-降低采样保持开关的导通电阻，以最大化电容充电速度。

-优化采样保持开关的驱动电路，以提供足够的驱动电流。

提高ADC动态范围

1.提高ADC的分辨率：

-使用更高位数的ADC，以增加其分辨率。

-采用过采样技术，以有效提高ADC的分辨率。

2.减小量化噪声和失调噪声：

-使用数字校准技术，以减小ADC的量化噪声和失调噪声。

-采用抖动技术，以随机化ADC的量化噪声。

-使用多位ADC，以扩展ADC的动态范围。

优化ADC功耗

1.减小ADC的供电电压：

-降低ADC的供电电压，以减少其功耗。

-采用低功耗ADC，专为低电压操作而设计。

2.优化ADC的时钟频率：

-降低ADC的时钟频率，以减少其动态功耗。

-采用节能模式，在不需要时关闭ADC。

-使用时钟门控技术，以减少时钟树的功耗。

提高ADC鲁棒性

1.保护ADC免受外部干扰：

-使用滤波器和屏蔽技术，以减小电磁干扰。

-采用差分输入，以增强共模抑制。

-使用瞬态保护电路，以保护ADC免受瞬态过电压。

2.增强ADC的耐故障能力：

-采用自校准技术，以检测和校正ADC故障。

-使用冗余ADC，以提高系统可靠性。

-采用双重采样和保持电路，以防止单点故障。提高ADC采样和保持电路的准确性

引言

采样和保持（S/H）电路是模数转换器（ADC）中的关键元件，负责在采样时刻捕获模拟输入信号并将其保持到转换完成。S/H电路准确性对于确保ADC整体性能至关重要。

影响S/H电路准确性的因素

*电容漏电流：保持电容的漏电流会导致电容电压随时间下降，从而降低保持精度。

*开关非线性：开关器件在导通和截止状态之间的过渡会引入非线性误差，影响S/H电路的准确性。

*寄生电容：寄生电容的存在会影响S/H电路的频率响应和稳定性，进而降低其准确性。

*噪音：热噪声和闪烁噪声会影响S/H电路的输出信号，降低其信噪比。

提高S/H电路准确性的技术

1.使用低漏电流电容

选择具有低漏电流的保持电容至关重要。电解电容通常具有较高的漏电流，而陶瓷电容则具有较低的漏电流。

2.优化开关器件

使用具有低电荷注入、低导通电阻和快速开关时间的开关器件。还应注意开关器件的非线性特性。

3.减少寄生电容

通过采用紧凑的PCB布局和使用低寄生电容的元件来最小化寄生电容。

4.采用噪声滤波技术

使用低通滤波器或积分器来滤除S/H电路输出信号中的噪声。

5.误差校准

通过比较S/H电路输出与参考电压或已知输入信号来校准误差。这可以补偿由于电容漏电流、开关非线性或其他误差源造成的误差。

S/H电路性能指标

S/H电路性能通常使用以下指标来评估：

*保持精度：在采样时刻到转换完成之间的保持周期内，输出电压下降的量。

*孔径延迟：采样信号在施加到S/H电路输入到输出保持时的延迟。

*频带：S/H电路能够处理输入信号的频率范围。

*信噪比：S/H电路输出信号的信噪比。

结论

通过仔细考虑影响S/H电路准确性的因素并应用优化技术，可以显著提高ADC的整体性能。第七部分优化电源分布以减小噪声耦合关键词关键要点【优化电源去耦合以减小噪声耦合】

1.使用低ESR电解电容和陶瓷电容进行去耦，在目标频率范围内提供足够的容抗。

2.为不同的电源轨使用单独的去耦网络，以防止噪声耦合。

3.优化去耦电容的放置，使其靠近噪声源和敏感电路。

【优化电源平面以减小噪声耦合】

优化电源分布以减小噪声耦合

电源分布网络在混合信号读出电路中至关重要，它负责向电路各部分提供干净、稳定的电源，同时最小化噪声耦合。噪声耦合是指来自一个电源区域的噪声通过电源网络传递到另一个区域，从而影响电路性能。

噪声耦合的两个主要来源是：

*电源纹波：由电源转换器或其他噪声源引起的电源电压上的纹波。

*接地噪声：由于接地回路中的电流流动而产生的接地电压上的噪声。

减小噪声耦合的优化策略

1.使用平面层：

平面层是大面积的铜层，用作电源或地平面。它们提供低阻抗路径，有助于将噪声隔离到特定的区域。电源和地平面应分别放置在不同的层上，以最大程度地减少耦合。

2.使用滤波电容：

滤波电容通过储存电荷来平滑电源纹波和接地噪声。它们应放置在噪声源附近，并与电源和地平面相连。电容的类型和值应根据噪声频率和幅度进行选择。

3.使用铁氧体磁珠：

铁氧体磁珠是抑制高频噪声的电感元件。它们可以串联插入电源线，以阻止噪声电流通过。磁珠的尺寸和材料应根据所要抑制的噪声频率进行选择。

4.分离敏感和非敏感电路：

将敏感电路（例如模拟放大器）与非敏感电路（例如数字逻辑）相邻放置会增加噪声耦合的风险。通过将电路放置在不同的区域或不同的层上，可以减少耦合。

5.使用隔离器：

隔离器是用于将不同电压域或接地回路隔离的组件。它们可以防止噪声在不同区域之间传递。隔离器可以是变压器、光电耦合器或其他技术。

6.使用抗噪声措施：

除了电源分布优化之外，还有其他措施可以减小噪声耦合，例如：

*使用抗噪声放大器和稳压器。

*在高噪声区域使用屏蔽罩。

*采用数字隔离技术。

量化噪声耦合

可以通过以下方法量化噪声耦合：

*电源纹波测量：使用示波器或频谱分析仪测量电源电压上的纹波。

*地噪声测量：使用地噪声探头测量接地电压上的噪声。

*噪声耦合比：通过测量敏感电路和非敏感电路中的噪声水平，并将其除以非敏感电路中的噪声水平来计算耦合比。

结论

优化电源分布对于混合信号读出电路中的噪声耦合最小化至关重要。通过采用上述策略，设计人员可以创建具有高信号完整性和低噪声的电路，从而提高整体性能。第八部分考虑布线和布局以最大限度减少噪声和寄生效应关键词关键要点布线和层叠

1.采用差分布线技术，以抵消由电磁干扰(EMI)引起的共模噪声。

2.使用适当的层叠结构，隔离模拟和数字电路以最小化耦合噪声。

3.优化走线长度和宽度，以控制阻抗和信号保真度。

接地和电源平面

1.建立一个坚固的、低阻抗的接地平面，以提供参考电压和线路噪声衰减。

2.使用多层电源平面，以最小化IR降和噪声耦合。

3.在模拟和数字电路之间实施隔离电源平面，以隔离噪声。

旁路和滤波

1.使用旁路电容在模拟电路附近放置，以滤除高频噪声。

2.在电源输入处使用LC滤波器，以衰减传入的噪声。

3.优化滤波器设计，以针对特定噪声频谱和目标阻抗进行调整。

隔离和屏蔽

1.使用隔离变压器或光电耦合器，以在模拟和数字电路之间提供电气隔离。

2.使用屏蔽外壳和金属化层，以防止EMI的侵入和辐射。

3.优化屏蔽材料和结构，以实现最大限度的噪声衰减。

模拟和数字电路分离

1.将模拟和数字电路物理上分开，以最小化耦合路径。

2.使用模拟和数字电源区域，以防止交叉耦合。

3.优化模拟和数字地平面之间的隔离，以最大限度减少跨域噪声。

前沿趋势和技术

1.采用高频材料，以实现低损耗、低噪声和高速度性能。

2.研究新的拓扑和设计技术，以提高噪声免疫力和信噪比。

3.探索人工智能(AI)和机器学习(ML)技术，以优化布线和布局。考虑布线和布局以最大限度减少噪声和寄生效应

在设计混合信号读出电路时，布线和布局在最大限度减少噪声和寄生效应中至关重要。了解不同布线技术及其对电路性能的影响对于优化设计至关重要。

布线技术

*差分布线：差分布线涉及使用一对信号线传输相反的信号。这种技术可以显著降低共模噪声，因为噪声会在两条线上相互抵消。

*微带线：微带线是一种使用单条导体和接地平面的传输线。它的特性阻抗受导体宽度、厚度和与接地平面的距离的影响。

*带状线：带状线是一种使用两个导体和中间介电层的传输线。它的特性阻抗受导体宽度、间距和介电层厚度的影响。

寄生效应

*阻抗不匹配：当传输线的阻抗与信号源或负载不匹配时，会导致信号反射和失真。

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