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文檔簡介

電路與模擬電子技術(shù)

原理第七章基本放大電路08:12:131第7章基本放大電路7.1放大電路概述7.2晶體管放大電路7.3場效應(yīng)管放大電路7.4功率放大電路7.5多級放大電路08:12:1327.1放大電路概述放大器(Amplifier)的功能xo=Axi

A稱為放大器的放大倍數(shù)(Gain);08:12:133放大電路概述(續(xù))放大電路是放大電信號的放大器,其輸入信號和輸出信號都只能用電信號表示因為不論是要輸入電信號還是要輸出電信號,都需要兩個端子,所以放大電路需要四個端子輸出電壓放大輸入電壓(uo=Auuui)輸出電流放大輸入電流(io=Aiiii)輸出電壓放大輸入電流(uo=Auiui)輸出電流放大輸入電壓(ii=Aiuui)

08:12:1347.1放大電路概述7.1.1放大電路的功能與參數(shù)7.1.2放大電路的基本結(jié)構(gòu)08:12:1357.1.1放大電路的功能與參數(shù)放大電路的功能可以用受控源來表示放大電路對信號源來說相當(dāng)于負(fù)載,對負(fù)載來說相當(dāng)于信號源。08:12:1367.1.1放大電路的功能與參數(shù)1.放大電路的放大特性:放大倍數(shù)2.放大電路對信號源的影響:輸入電阻3.放大電路對負(fù)載的影響:輸出電阻4.放大電路的頻率特性5.最大輸出功率Pomax與效率η

6.放大電路的傳輸特性08:12:1371.放大電路的放大特性:放大倍數(shù)傅立葉分析理論指出,無論多么復(fù)雜的信號,都可以分解為無限多個正弦信號的疊加。對于線性放大電路,如果已知放大電路對于任意頻率的正弦信號的放大倍數(shù),就可以知道放大電路對于任意信號的放大倍數(shù),所以分析放大電路對于任意信號的放大倍數(shù)的問題,就轉(zhuǎn)換為了放大電路對于正弦信號,即交流信號放大倍數(shù)的分析。08:12:138放大倍數(shù)(續(xù))交流信號可以用相量表示電壓放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)功率放大倍數(shù)08:12:139放大倍數(shù)(續(xù))用分貝(dB)來表示放大倍數(shù),稱為增益電壓增益電流增益功率增益08:12:1310放大倍數(shù)(續(xù))由于放大電路的輸入端口上的電壓ui和電流ii不能完全等于理想值us和電流is,所以有時還需要考慮放大器輸出電壓uo對信號源電壓us的放大倍數(shù)

08:12:13112.放大電路對信號源的影響:輸入電阻放大電路對信號源來說相當(dāng)于負(fù)載用輸入電阻表示放大器對信號源輸出信號(電壓和電流)的影響08:12:1312放大電路對信號源的影響:輸入電阻(續(xù))輸入電阻是從放大器輸入端看進去的等效電阻,它表明了放大器對信號源實際輸出的影響,用Ri表示。在關(guān)聯(lián)參考方向(ii從ui的正端流入、負(fù)端流出)的前提下08:12:1313放大電路對信號源的影響:輸入電阻(續(xù))無法實現(xiàn)既不影響ui,又不影響ii,那么只要盡可能穩(wěn)定對放大器而言最重要的信號就可以了。如放大器的控制信號是ui,就要盡可能穩(wěn)定ui;如放大器的控制信號是ii,就要盡可能穩(wěn)定ii。電壓控制型放大器的Ri越大越好;電流控制型放大器的Ri越小越好。如果放大電路要求輸入最大功率,則應(yīng)該使Ri=Rs,這被稱為阻抗匹配。08:12:13143.放大電路對負(fù)載的影響:輸出電阻放大電路對負(fù)載來說相當(dāng)于信號源用輸出電阻表示放大電路對負(fù)載(電壓和電流)的影響08:12:1315放大電路對負(fù)載的影響:輸出電阻(續(xù))輸出電阻是為當(dāng)輸入信號為零時,從放大器輸出端看進去的等效電阻,它表明了放大器向負(fù)載輸出電壓或電流的能力。對于電壓控制型放大器對于電流控制型放大器08:12:13164.放大電路的頻率特性由于電抗元件對信號的影響表現(xiàn)為電抗,而電抗值與信號頻率有關(guān),所以放大電路的放大倍數(shù)也必然與輸入信號的頻率有關(guān)。對于不同頻率的輸入信號,放大電路的放大倍數(shù)也不同電抗的存在將導(dǎo)致輸出信號與輸入信號之間產(chǎn)生相移,而且相移的大小隨輸入信號頻率的不同而不同。08:12:1317放大電路的頻率特性(續(xù))(1)下限頻率(低頻截止頻率)fL

(2)上限頻率(高頻截止頻率)fH

(3)通頻帶fBW

fBW=fH-fL

輸入信號的頻率必須位于放大電路的上、下限截止頻率之內(nèi),才能保證放大電路對其放大不失真08:12:13185.最大輸出功率Pomax與效率η

最大輸出功率是在輸出信號基本不失真的情況下,負(fù)載能夠從放大電路獲得的最大功率。負(fù)載上的信號功率來自直流電源如果放大電路輸出最大功率Pomax時所消耗的直流電源功率為PE,則定義效率

為08:12:13196.放大電路的傳輸特性放大電路的傳輸特性是以輸入信號作為橫坐標(biāo),以輸出信號為縱坐標(biāo),所得到的表示輸入、輸出信號關(guān)系的曲線。08:12:13207.1.2放大電路的基本結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)钠秒娐罚惠斎胄盘柲軌蛩偷椒糯笃骷?;輸出信號能夠從放大器件取出;直流電源?8:12:1321第7章基本放大電路7.1放大電路概述7.2晶體管放大電路7.3場效應(yīng)管放大電路7.4功率放大電路7.5多級放大電路08:12:13227.2晶體管放大電路7.2.1晶體管放大電路的組成7.2.2晶體管放大電路的近似估算7.2.3晶體管放大電路的圖解分析7.2.4晶體管放大電路的失真7.2.5靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路7.2.6再說模型08:12:13237.2.1晶體管放大電路的組成晶體管可以構(gòu)成共射、共集、共基三種放大電路晶體管共射組態(tài)基本放大電路為例,介紹晶體管放大電路的組成及其分析方法分析方法適用于其他類型的放大電路08:12:13241.共射基本放大電路晶體管的發(fā)射極是輸入回路和輸出回路的公共端,所以稱該電路為共發(fā)射極放大電路。輸入/輸出電流參考正方向規(guī)定為流入電路為正,流出電路為負(fù)。08:12:13252.放大電路的分解:直流通路和交流通路以基極電流為例,對符號含義規(guī)定如下:iB(小寫字母、大寫下標(biāo))——基極電流的瞬時值(直流分量與交流分量之和);

IB(大寫字母、大寫下標(biāo))——基極電流的直流分量;

ib(小寫字母、小寫下標(biāo))——基極電流交流分量的瞬時值;

Ib(大寫字母、小寫下標(biāo))——ib相量的簡化表示,或ib的有效值;

ibm——ib的最大值,也稱為峰值或振幅。

08:12:1326分解、線性化和疊加放大電路中晶體管各電極上的電流和電壓,既包含用于放大器件偏置的直流分量,又包含與信號放大有關(guān)的交流分量為了回避晶體管的非線性特征,人們采用了分解、線性化和疊加的手段:先把電路中的電流和電壓分解為直流分量和交流分量,再分別采用不同的線性模型去近似原有電路,最后把分析的結(jié)果疊加起來,以求取放大電路中的電壓和電流。08:12:1327怎樣實現(xiàn)直流分量和交流分量的分解

在原始放大電路中求取直流通路的步驟:電容開路,電感短路;交流電源置零(交流電壓源短路,交流電流源開路)。在原始放大電路中求取交流通路的步驟:電容短路,電感開路;直流電源置零(直流電壓源短路,直流電流源開路)。08:12:1328直流通路和交流通路08:12:13293.晶體管放大電路的組成原則要保證晶體管放大電路能夠在輸入信號的全部范圍內(nèi)不失真地放大,首先必須保證在輸入信號變化時,晶體管始終處于放大區(qū)。當(dāng)輸入信號在一定范圍內(nèi)變化時,為放大電路選擇合適的靜態(tài)工作點(IB、IC、UCE)此外,還必須保證交流通路配合恰當(dāng),輸入信號能夠送到晶體管的控制端(加得進來),晶體管放大后的信號能夠輸出到負(fù)載上去(送得出去)。08:12:1330晶體管放大電路的組成原則(續(xù))晶體管放大電路的組成原則:(1)要有直流通路,保證合適的直流偏置(靜態(tài)工作點)。(2)要有交流通路,保證輸入信號能加到晶體管,輸出信號能到負(fù)載。08:12:13317.2晶體管放大電路7.2.1晶體管放大電路的組成7.2.2晶體管放大電路的近似估算7.2.3晶體管放大電路的圖解分析7.2.4晶體管放大電路的失真7.2.5靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路7.2.6再說模型08:12:13327.2.2晶體管放大電路的近似估算晶體管放大電路的近似估算法,就是把非線性的晶體管在特定工作范圍內(nèi)線性化,然后運用線性電路的分析方法去計算放大電路特性。1.直流近似估算(靜態(tài)分析)2.交流近似估算(動態(tài)分析)08:12:13331.直流近似估算(靜態(tài)分析)晶體管放大電路直流工作狀態(tài)的近似估算,是根據(jù)晶體管工作狀態(tài)的不同,采用以下模型分段近似晶體管的工作特征:在截止區(qū):IB=0,IC=0;在放大區(qū):UBE=UBE(on),IC=βIB;

在飽和區(qū):UBE=UBE(on),UCE=UCE(sat)。

導(dǎo)通壓降UBE(on)的值,硅管取0.7V,鍺管取0.2V,題目中未給定晶體管類型時,通常認(rèn)為是硅管。飽和壓降UCE(sat)的值,通常認(rèn)為是0.3V。

08:12:1334晶體管三種工作狀態(tài)的直流模型截止區(qū):IB=0,IC=0;放大區(qū):UBE=UBE(on),IC=βIB;

飽和區(qū):UBE=UBE(on),UCE=UCE(sat)。

08:12:1335求靜態(tài)工作點的步驟晶體管放大電路直流近似估算(求靜態(tài)工作點)的步驟如下:(1)畫出直流通路;(2)確定晶體管的工作狀態(tài)(截止、放大或飽和);(3)選擇與晶體管工作狀態(tài)相應(yīng)的直流模型;(4)計算靜態(tài)工作點(IBQ、ICQ、UCEQ

)在計算過程中,要熟練使用系列兩類約束:拓?fù)浼s束——基爾霍夫定律(KVL和KCL);元件特性——晶體管電流放大關(guān)系(ICQ=βIBQ)。

08:12:1336直流近似估算舉例【例7-1】求7-6電路的靜態(tài)工作點,已知UCC=12V,Rc=4kΩ,Rb=300kΩ,β=37.5。

08:12:1337直流近似估算舉例(續(xù))【解】首先畫出原電路的直流通路,如圖7-8所示。其次,在直流通路中,分別針對輸入、輸出回路列KVL方程,得到

輸入回路電壓方程

IBRb+UBE=UCC

輸出回路電壓方程ICRc+UCE=UCC

08:12:1338直流近似估算舉例(續(xù))假定為晶體管為硅管,取UBE≈0.7V,根據(jù)輸入回路方程可得

IB

=(UCC-UBE)/Rb≈UCC/Rb根據(jù)輸出回路方程求集電極飽和電流ICSICS=ICmax=(UCC-UCES)/Rc≈UCC/Rc

求基極飽和電流IBS=ICS/β

比較IBS與IB,或直接比較ICS與βIB,判斷晶體管工作狀態(tài)。

08:12:1339直流近似估算舉例(續(xù))如果處于放大狀態(tài),則IBQ=IB,再利用晶體管放大關(guān)系計算ICQ,并進而計算UCEQ

ICQ=βIBQ

UCEQ=UCC-ICQRc

所求得IBQ、ICQ、UCEQ的值,即為靜態(tài)工作點。

代入數(shù)值計算IBQ時,因為UCC>>UBE(二者相差10倍以上),所以允許忽略UBE的影響,而不至于引起太大誤差,08:12:1340直流近似估算舉例(續(xù))于是可知βIB<ICS,晶體管并未飽和,而是處于放大狀態(tài)。

08:12:1341直流近似估算舉例(續(xù))再利用晶體管電流放大關(guān)系計算集電極靜態(tài)電流ICQ

ICQ=βIBQ=37.5×0.04=1.4(mA)

帶入輸出回路方程,即可得到UCEQ

UCEQ=UCC-ICRc=6(V)

所以,該電路的靜態(tài)工作點為IBQ=0.04mA,ICQ=1.4mA,UCEQ=6V。

08:12:13422.交流近似估算(動態(tài)分析)交流近似估算的思路,也是用線性模型替代晶體管,把非線性器件線性化,就可以把線性電路的分析分析方法運用到放大電路上來。能夠把晶體管線性化的等效模型不止一個,究竟選擇哪一個,取決于放大電路的工作條件和近似精度的要求。微變等效電路法:適用于低頻小信號放大電路的動態(tài)分析08:12:1343(1)晶體管的低頻小信號模型在動態(tài)分析中,b、e極之間用電阻(rbe)等效,c、e極之間用電流控制電流源(iC=βiB)等效,這就是晶體管的低頻小信號模型。

08:12:1344晶體管的低頻小信號模型(續(xù))常溫下rbe的計算公式為

08:12:1345(2)放大電路的微變等效電路用低頻小信號模型替代交流通路中的晶體管,即可得到放大電路的微變等效電路,注意替換前后b、e、c的位置要保持不變。08:12:1346放大電路的微變等效電路(續(xù))用微變等效電路法估算晶體管放大電路的交流性能參數(shù)的步驟如下(1)畫出交流通路;(2)把晶體管b、e極之間用rbe等效,c、e極之間用電流控制電流源(iC=βiB

)等效;(3)用線性電路分析方法計算輸入電阻、輸出電阻、放大倍數(shù)。08:12:1347交流近似估算舉例【例7-2】電路如圖7-12(a)所示,已知

=60,rbb′=100Ω。(1)求Q點;(2)求、Ri和Ro;(3)設(shè)Us=10mV,求Ui、Uo

。

08:12:1348交流近似估算舉例(續(xù))【解】(1)首先畫出原始電路的直流通路如圖7-12(b)所示,列KVL方程得IBRb+IERe+0.7=12晶體管工作在放大區(qū)時,IE=

(1+β)IB聯(lián)立求解得IB=31.6(μA)08:12:1349交流近似估算舉例(續(xù))IC=βIB=60×31.6=1.90(mA)

UCE=UCC-ICRc-IERe≈4.4(V)

由于晶體管的集電極-發(fā)射極飽和電壓UCES通常為0.3V,而本例中的UCE=4.4V,顯然無論如何也達不到使晶體管飽和的程度。又因為已計算得知IB>0,顯然晶體管也沒有截止。從而可以判斷晶體管處于放大狀態(tài),于是靜態(tài)工作點為

IBQ=31.6μA,ICQ=1.90mA,UCEQ=4.4V

08:12:1350交流近似估算舉例(續(xù))(2)計算放大倍數(shù)需要畫出交流等效電路,而交流等效電路必須用低頻小信號模型替代交流通路中的晶體管才能得到,所以首先要求出原始電路的交流通路。08:12:1351交流近似估算舉例(續(xù))將交流通路中的晶體管b、e極之間用電阻(rbe)等效,c、e極之間用電流控制電流源(iC=βiB)等效,得到原始電路的微變等效電路

08:12:1352交流近似估算舉例(續(xù))其中在交流等效電路中設(shè)R?L=Rc//RL=1.5(kΩ)

則Uo=-IcR?L=-βIbR?L

08:12:1353交流近似估算舉例(續(xù))因為Ui=Ibrbe+IeRe=Ibrbe+(1+β)IbRe設(shè)R?i=Ui/Ib=rbe+(1+β)Re=62(kΩ)

于是

Ui=IbR?i

得到放大倍數(shù)08:12:1354交流近似估算舉例(續(xù))又因為輸入電阻Ri為Rb與R?i的并聯(lián),所以Ri=Rb//R?i=300/62=51(kΩ)

放大電路的輸出電阻定義為當(dāng)輸入信號為零時,從輸出端口看進去的等效電阻。由于本電路的輸入為電壓信號,所以其輸出電阻的定義應(yīng)該是08:12:1355交流近似估算舉例(續(xù))在圖7-13(b)中,當(dāng)輸入信號Ui=0時,必然導(dǎo)致Ib=0,從而Ic=βIb=0,由于c、e電極之間為受控電流源,電流源的值為零,相當(dāng)于c、e兩點之間開路。這時,從輸出端口看進去,就只剩下了電阻Rc,所以

Ro=Rc=3(kΩ)

08:12:1356交流近似估算舉例(續(xù))(4)US=10mV時,輸入回路等效為下圖,Uo=AuUi=-14.4(mV)

放大倍數(shù)是負(fù)數(shù),說明Uo和Ui瞬時極性相反,Uo和Ui反向(相位差為π)08:12:13573.晶體管放大電路的典型特征及其應(yīng)用

(1)共發(fā)射極放大電路的uo與ui反相,Ri和Ro大小適中,其電壓、電流、功率增益都比較大,廣泛應(yīng)用于于一般放大或多級放大電路的中間級。

(2)共集電極放大電路也叫“射極跟隨器”或“電壓跟隨器”,其輸出信號取自晶體管的發(fā)射極,Au≈1,Ai很大,Ri大(對信號源影響小);Ro小(帶負(fù)載能力強),用于輸入級、輸出級或緩沖級。還具有很好的高頻特性。(3)共基極放大電路的uo與ui同相,電壓放大倍數(shù)高、輸入電阻小、輸出電阻大。共基極電路的高頻特性很好,廣泛用于高頻及寬帶放大電路中。08:12:13587.2晶體管放大電路7.2.1晶體管放大電路的組成7.2.2晶體管放大電路的近似估算7.2.3晶體管放大電路的圖解分析7.2.4晶體管放大電路的失真7.2.5靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路7.2.6再說模型08:12:13597.2.3晶體管放大電路的圖解分析近似估算法應(yīng)用的前提,是靜態(tài)工作點合適而且輸入信號很小。在信號的全部工作范圍內(nèi)晶體管都不會截止或飽和,而且對應(yīng)的輸入、輸出特性曲線都近似于直線時如果這樣的前提不滿足,比如靜態(tài)工作點不太合適、輸入信號又很大……怎么辦呢?08:12:1360圖解分析法的基本思路一種解決方案是——作圖,直接在輸入、輸出特性曲線上作圖,求出晶體管各極上的電流和電壓,這就是圖解分析法的基本思路。圖解法所基于的,還是晶體管本身的控制特性:uBE和uCE共同決定iB,iB和uCE共同決定iC。

08:12:1361直流圖解分析和交流圖解分析由于直流信號和交流信號在放大電路中流動的通路不同,所以直流分析(也稱靜態(tài)分析)必須在直流通路中進行,交流分析(也稱動態(tài)分析)必須在交流通路中進行。08:12:13621.晶體管放大電路的直流圖解分析直流圖解分析的思路是:根據(jù)直流通路,分別求出放大電路的直流輸入、輸出方程,輸入方程與共射輸入特性曲線的交點為(UBEQ,IBQ),輸出方程與輸出特性曲線的交點為(UCEQ,ICQ),于是就求出了放大電路的靜態(tài)工作點。

08:12:1363晶體管直流圖解分析的步驟(1)畫出直流通路;(2)列直流輸入回路(KVL)方程;(3)在輸入特性曲線上作圖確定IBQ

(或者用直流估算法計算IBQ

);(4)列直流輸出回路(KVL)方程;(5)在輸出特性曲線上作圖確定UCEQ和ICQ

。08:12:1364晶體管直流圖解分析舉例【例7-3】如圖7-6所示電路中,若Rb=560kΩ,

Rc=3kΩ,

UCC=12V,晶體管的輸入特性曲線如圖7-15(b)所示,試用圖解法確定其靜態(tài)工作點。08:12:1365晶體管直流圖解分析舉例(續(xù))【解】畫出圖7-6電路的直流通路,如圖7-15(a)。列直流輸入回路KVL方程得UCC=IBQRb+UBEQ

上述方程在對應(yīng)輸入特性坐標(biāo)系中的一條直線,如圖7-15(b)所示,輸入方程直線與輸入特性曲線的交點的坐標(biāo),就是待求的UBEQ和IBQ。

08:12:1366晶體管直流圖解分析舉例(續(xù))08:12:1367晶體管直流圖解分析舉例(續(xù))或者用直流估算法計算IBQ

列直流輸出回路(KVL)方程得UCEQ=UCC-ICQRc

上述方程在對應(yīng)輸出特性坐標(biāo)系中的一條直線,稱為直流負(fù)載線,如圖7-16所示08:12:1368晶體管直流圖解分析舉例(續(xù))直流負(fù)載線與橫軸交于M點

(當(dāng)uCE=0時,

iC=UCC/RC=4mA)與縱軸交于N點(當(dāng)iC=0時,

uCE=UCC=12V)。

08:12:1369晶體管直流圖解分析舉例(續(xù))直流負(fù)載線MN與IB=20μA的一條特性曲線的交點Q,即為直流工作點。由圖中Q點的坐標(biāo)可得,ICQ=2mA,UCEQ=6V。

上述圖解法表明,該電路的靜態(tài)工作點為IBQ=20μA,ICQ=2mA,UCEQ=6V08:12:13702.晶體管放大電路的交流圖解分析分解和綜合首先求出原始放大電路的直流通路和交流通路,然后在直流通路分析直流量,在交流通路分析交流量,最后把分別分析所得到的直流量和交流量中疊加起來,就是所要求解的原始瞬時量。08:12:1371晶體管交流圖解分析(續(xù))ICQ和UCEQ的約束關(guān)系,就是我們在直流分析中,根據(jù)直流通路所得到的直流負(fù)載線;而ic和uce的約束關(guān)系,則要根據(jù)交流通路取得。

交流負(fù)載線是一條過點(UCEQ,ICQ)、斜率為(-1/R'L)的直線

08:12:1372交流負(fù)載線對比交流負(fù)載線的斜率為(-1/R‘L)和直流負(fù)載線的斜率(-1/Rc),可知交流負(fù)載線比直流負(fù)載線要陡一些。

交流負(fù)載線所反映的是瞬時值iC和uCE之間的約束關(guān)系,而不是交流信號ic和uce之間的約束關(guān)系,所以稱之為瞬時負(fù)載線也許更合適一些。詳細(xì)分析和推導(dǎo)過程請閱讀教材。08:12:1373交流負(fù)載線(續(xù))08:12:1374交流負(fù)載線(續(xù))在輸出特性上,放大電路的瞬時工作點沿交流負(fù)載線、以靜態(tài)工作點Q為中心上下移動。畫出交流負(fù)載線之后,就可以根據(jù)電流iB的波形,畫出對應(yīng)的iC和uCE的波形,如圖7-18所示。

08:12:1375放大器的交流圖解分析08:12:13767.2晶體管放大電路7.2.1晶體管放大電路的組成7.2.2晶體管放大電路的近似估算7.2.3晶體管放大電路的圖解分析7.2.4晶體管放大電路的失真7.2.5靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路7.2.6再說模型08:12:13777.2.4晶體管放大電路的失真晶體管沒能確保在輸入信號的全部范圍內(nèi),都工作在線性區(qū)(即放大區(qū)),而是進入了截止區(qū)或飽和區(qū),這時就會引起截止失真或飽和失真。引發(fā)截止失真的原因是由于晶體管的靜態(tài)工作點過低,瞬時工作點進入截止區(qū)。引發(fā)飽和失真的原因則是由于晶體管的靜態(tài)工作點過高,瞬時工作點進入飽和區(qū)。08:12:1378截止失真08:12:1379飽和失真08:12:1380如何解決失真知道了引起失真的原因,也就找到了避免失真的方法——要避免截止失真,就要避免靜態(tài)工作點過低;要避免飽和失真,就要避免靜態(tài)工作點過高。合適的靜態(tài)工作點應(yīng)該位于交流負(fù)載線的中間,以確保輸入信號變化時,瞬時工作點始終處于放大區(qū)之內(nèi)。08:12:13817.2晶體管放大電路7.2.1晶體管放大電路的組成7.2.2晶體管放大電路的近似估算7.2.3

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