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第三講雙極型晶體管演示文稿當(dāng)前1頁(yè),總共42頁(yè)。(優(yōu)選)第三講雙極型晶體管當(dāng)前2頁(yè),總共42頁(yè)。BJT是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的三端器件,有兩種基本類(lèi)型:NPN型和PNP型。++NPN管比PNP管應(yīng)用更廣泛,特別在一般的半導(dǎo)體集成電路中,NPN管性能優(yōu)于PNP管,故重點(diǎn)討論NPN管。(一)BJT的結(jié)構(gòu)和符號(hào)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極基極集電極注意區(qū)分兩者的符號(hào)箭頭方向表示電流的實(shí)際方向當(dāng)前3頁(yè),總共42頁(yè)。
BJT結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(1)發(fā)射區(qū)高摻雜;(2)基區(qū)很薄,一般在幾微米至幾十微米;且摻雜濃度很低;(3)集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū),且面積大.管芯結(jié)構(gòu)剖面圖發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)+--是BJT具有電流放大作用的內(nèi)部原因。要使BJT具有放大作用,還必須給BJT加合適的偏置。當(dāng)前4頁(yè),總共42頁(yè)。(二)BJT的放大偏置1、什么叫放大偏置?放大偏置——“發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏”。PNPbce+-+-UBEUCEbceiCieib+-+-UBEUCEbceiCieibNPNbce2、放大偏置時(shí)BJT三個(gè)電極的電位關(guān)系:識(shí)別管腳和判斷管型的依據(jù)—是BJT具有電流放大作用的外部條件。前提是BJT處于放大狀態(tài)。(此時(shí)BJT處于放大狀態(tài))3、放大偏置時(shí)BJT三個(gè)電極的電流方向當(dāng)前5頁(yè),總共42頁(yè)。例題:測(cè)得放大電路中的某只晶體管三個(gè)管腳的電位如圖所示:試判斷各個(gè)管腳對(duì)應(yīng)的電極,晶體管的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及材料。0.1V0.78V-11.5V1、基極電位UB居中(可先識(shí)別基極);3、NPN管各極的電位關(guān)系:UC>UB>UE;PNP管各極的電位關(guān)系:UC<UB<UE;BCE該管為PNP型硅管。2、發(fā)射結(jié)正偏壓降:|UBE|=0.7(0.6)V(硅管)
|UBE|
=0.3(0.2)V(鍺管)可識(shí)別發(fā)射極(所剩者即為集電極);并判斷管子的材料;可識(shí)別管子的類(lèi)型(NPN/PNP)。當(dāng)前6頁(yè),總共42頁(yè)。1、基極電位UB居中(可識(shí)別基極);3、NPN管各極的電位關(guān)系:UC>UB>UE;PNP管各極的電位關(guān)系:UC<UB<UE;2、發(fā)射結(jié)壓降:|UBE|=0.7(0.6)V(硅管)
|UBE|
=0.3(0.2)V(鍺管)可識(shí)別發(fā)射極——集電極;判斷管子的材料;可識(shí)別管子的類(lèi)型(NPN/PNP)。7.5V3.9V3.2VBCENPN型硅管。例題:測(cè)得放大電路中的某只晶體管三個(gè)管腳的電位如圖所示:試判斷各個(gè)管腳對(duì)應(yīng)的電極,晶體管的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及材料。當(dāng)前7頁(yè),總共42頁(yè)。bce
RC
ECEBRbIBICIE(三)放大偏置時(shí)BJT內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程給NPN型BJT加適當(dāng)?shù)钠茫喊l(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏。bceRbEBRC
EC當(dāng)前8頁(yè),總共42頁(yè)。bceRbEBRCECNPN1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入大量電子2、電子在基區(qū)的復(fù)合和繼續(xù)擴(kuò)散IEnIEPIB1發(fā)射結(jié)正偏因濃度差,發(fā)射區(qū)的大量電子經(jīng)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散注入基區(qū),形成電子流基區(qū)空穴擴(kuò)散注入發(fā)射區(qū)從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子成為基區(qū)的非平衡少子,極少數(shù)電子與基區(qū)的空穴復(fù)合,形成復(fù)合電流絕大部分電子繼續(xù)擴(kuò)散到達(dá)集電結(jié)附近。IB1IEn集電結(jié)反偏3、集電區(qū)收集發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子
ICBO在外電場(chǎng)作用下,由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散在集電結(jié)附近的非平衡少子漂移到集電區(qū)ICn基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)集電區(qū)的空穴漂移到基區(qū)ICnICBO(擴(kuò)散)IEP(漂移)平衡少子的漂移當(dāng)前9頁(yè),總共42頁(yè)。(四)放大偏置時(shí)BJT各極電流的關(guān)系:IE
=IEn+IEPIEn;IC
=ICn+ICBOICn;IB
=IB1+IEP-ICBO1、各極電流的構(gòu)成:2、各極電流之間的關(guān)系:IE
=IC+
IB;①
IE與
IC的關(guān)系:對(duì)于給定的晶體管,集電極收集的電子流是發(fā)射極發(fā)射的電子流的一部分,兩者的比值在一定的電流范圍內(nèi)是一個(gè)常數(shù),用bceRbEBRCECNPNIEnIEPIB1ICnICBOIBIEIC當(dāng)前10頁(yè),總共42頁(yè)。(四)放大偏置時(shí)BJT各極電流的關(guān)系:IE
=IEn+IEPIEn;IC
=ICn+ICBOICn;IB
=IB1+IEP-ICBO1、各極電流的構(gòu)成:2、各極電流之間的關(guān)系:IE
=IC+
IB;①
IE與
IC的關(guān)系:②
IC與
IB的關(guān)系:定義:——共射直流電流放大倍數(shù)說(shuō)明:BJT具有電流放大作用;IC受IB控制,BJT為電流控制器件。基本上為常數(shù),因此放大偏置的BJT中IE、IC和
IB近似成比例關(guān)系。當(dāng)前11頁(yè),總共42頁(yè)。bce
RC
ECEBRbiBiCiE1、發(fā)射結(jié)正偏電壓uBE對(duì)各極電流的作用——正向控制作用。發(fā)射極電流實(shí)際上是正偏發(fā)射結(jié)的正向電流:(五)BJT的結(jié)偏置電壓與各極電流的關(guān)系uBEuCB兩者是指數(shù)關(guān)系。BJT各個(gè)電極的電流iE、iC、iB與發(fā)射結(jié)正偏電壓uBE都是指數(shù)關(guān)系。當(dāng)前12頁(yè),總共42頁(yè)。基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)集電區(qū)EBC2、集電結(jié)反偏電壓uCB對(duì)各極電流的影響——基區(qū)寬調(diào)效應(yīng)。集電結(jié)寬度基區(qū)有效寬度這種由集電結(jié)反偏電壓變化引起基
區(qū)寬度變化,從而影響各極電流的
現(xiàn)象稱(chēng)為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng),簡(jiǎn)稱(chēng)
基區(qū)寬調(diào)效應(yīng)或厄利(Early)效應(yīng)。空穴復(fù)合機(jī)會(huì)uCB通過(guò)厄利效應(yīng)對(duì)BJT電流的影響遠(yuǎn)不如uBE對(duì)電流的正向控制作用大,但它的存在使BJT的電流受控關(guān)系復(fù)雜化,使之成為所謂的“雙向受控元件”,由此帶來(lái)分析的復(fù)雜化,并有可導(dǎo)致放大器因“內(nèi)反饋”而性能變壞。當(dāng)前13頁(yè),總共42頁(yè)。(六)BJT的截止和飽和工作狀態(tài)1、截止?fàn)顟B(tài):發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏晶體管的電流只有反向飽和電流成分。忽略反向飽和電流,則截止?fàn)顟B(tài)下的晶體管各極電流等于0,其等效模型為:cbe2、飽和狀態(tài):發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏正偏PN結(jié)的導(dǎo)通電壓較小,在大信號(hào)狀態(tài)下可以忽略,其等效模型為:cbe3、BJT的結(jié)偏置情況與工作狀態(tài)的關(guān)系(1)放大狀態(tài):發(fā)射結(jié)正偏;集電結(jié)反偏(3)飽和狀態(tài):發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏(2)截止?fàn)顟B(tài):發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏(4)倒置狀態(tài):發(fā)射結(jié)反偏;集電結(jié)正偏判斷BJT的工作狀態(tài)當(dāng)前14頁(yè),總共42頁(yè)。練習(xí):測(cè)得晶體管無(wú)信號(hào)輸入時(shí),各個(gè)電極對(duì)“地”電壓如下:判斷管子工作狀態(tài)(放大、截止、飽和、倒置、損壞)0-2.7
-3硅管-30
-0.3鍺管0.7-3.5
0硅管1.11
1.3鍺管(a)發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)反偏,截止?fàn)顟B(tài)。(b)發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,放大狀態(tài)。(c)發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)正偏,倒置狀態(tài)。(d)發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)正偏,飽和狀態(tài)。當(dāng)前15頁(yè),總共42頁(yè)。-1.4-3.5-2.8硅管1.31.5
1.2鍺管3.71.5
1.8鍺管12-0.7
2硅管(e)發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,放大狀態(tài)。(f)發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)正偏,飽和狀態(tài)。(g)發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,放大狀態(tài)。(h)發(fā)射結(jié)正偏,UBE0.7V,損壞。練習(xí):測(cè)得晶體管無(wú)信號(hào)輸入時(shí),各個(gè)電極對(duì)“地”電壓如下:判斷管子工作狀態(tài)(放大、截止、飽和、倒置、損壞)當(dāng)前16頁(yè),總共42頁(yè)。0.1mA4mA5mA5.1mA練習(xí):測(cè)得某放大電路中BJT的兩個(gè)電極的電流如下,請(qǐng)標(biāo)出各管腳對(duì)應(yīng)的電極,剩余電極的電流方向和大小。BCE4.1mA0.1mACBEIE
=IC+
IB當(dāng)前17頁(yè),總共42頁(yè)。(七)BJT的三種基本組態(tài):?共射極組態(tài),用CE表示;?共基極組態(tài),用CB表示;?共集電極組態(tài),用CC表示。當(dāng)前18頁(yè),總共42頁(yè)。
iBuBE二、BJT的靜態(tài)特性曲線——在直流和低頻場(chǎng)合下,BJT輸入端口和輸出端口的伏安特性,是BJT內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)。(一)輸入特性曲線:iB=f(uBE)uCE=常數(shù)UCE=0V110uBE不變,uCEuCBiC,
iB
+-+-uBEuCEbceiCiEiB處于放大狀態(tài)的BJT,uCE1V,曲線特點(diǎn):1、
iB與uBE近似為指數(shù)關(guān)系,與二極
管正向特性相似。2、
uCE增大,曲線右移(厄利效應(yīng))。3、當(dāng)uCE1V后,特性曲線基本重合。輸入特性曲線就用uCE1V的曲線表示。對(duì)于一定的uBE
,當(dāng)uCE增大到一定值后,集電結(jié)的電場(chǎng)已足夠強(qiáng),可以將發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的絕大部分非平衡少子收集到集電區(qū),因此即使再增大uCE
,iC也不可能明顯增大了。當(dāng)前19頁(yè),總共42頁(yè)。uCEiC(二)輸出特性曲線:iB=0飽和區(qū)BUCEO擊穿區(qū)截止區(qū)臨界飽和線iB=IB5iB=IB4iB=IB3iB=IB2iB=IB1放大區(qū)+-+-uBEuCEbceiCiEiB2、放大區(qū):(發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏)uCEuCBiB,iC。iB
,傾斜的程度會(huì)增大。iCiB①特性曲線平坦,近似為直線。②特性曲線間隔均勻,iC隨iB近似的成正比例變化。(BJT的放大作用)③由于厄利效應(yīng),特性曲線隨uCE的增大略向上傾斜。1、截止區(qū):(發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏)iB=0;iC=ICEO三個(gè)電極電流近似為0,沒(méi)有放大作用。iC=f(uCE)iB=常數(shù)當(dāng)前20頁(yè),總共42頁(yè)。uCEiCiB=0飽和區(qū)BUCEO擊穿區(qū)截止區(qū)臨界飽和線iB=IB5iB=IB4iB=IB3iB=IB2iB=IB1放大區(qū)3、飽和區(qū):(uCE<uBE,發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏)①臨界飽和:集電結(jié)零偏,uCE=uBE或uCB=0臨界飽和時(shí),仍有iC=iB。②進(jìn)入飽和區(qū)后,iC隨uCE的減小而明顯下降。uCE減小使集電結(jié)正偏加大,集電區(qū)的擴(kuò)散電流將抵消部分由發(fā)射區(qū)載流子轉(zhuǎn)化而來(lái)的電流,使集電極電流急劇下降。③各曲線幾乎重合,iC不再
隨iB成比例地變化:iC<iB。④飽和壓降UCES:UCES隨iC的增大而略有增大。典型值:UCES=0.3V。4、擊穿區(qū):uCE增大到一定值后,iC急劇增大,集電結(jié)反向擊穿。當(dāng)前21頁(yè),總共42頁(yè)。(三)溫度對(duì)BJT特性曲線的影響T輸入特性曲線左移,(2~2.5)mV/°CuCE/ViCT2
iB/AuBE/VT2>T1T1T,(0.5%~1%)/CTICBOiC,輸出特性曲線上移
當(dāng)前22頁(yè),總共42頁(yè)。三、BJT的主要特性參數(shù)1、電流增益(電流放大倍數(shù)):——共射直流電
流放大倍數(shù)——共基直流電
流放大倍數(shù)——共射交流電
流放大倍數(shù)——共基交流電
流放大倍數(shù)一般在電流不是很大的情況,可以認(rèn)為:今后不再區(qū)分直流還是交流,統(tǒng)一用和表示。當(dāng)前23頁(yè),總共42頁(yè)。2、極間反向電流:(1)集電極-基極反向飽和電流ICBO:(2)集電極反向穿透電流ICEO
:IBICIB=-ICBO,IC=ICBOICEO=(1+)ICBO(P30)與單個(gè)PN結(jié)的反向飽和電流一樣。
ICBO的值很小,硅管小于1μA,鍺管約10μA,受溫度影響很大。此電流從集電區(qū)穿越基區(qū)流至發(fā)射區(qū),所以叫穿透電流。
ICBO和ICEO都是衡量BJT溫度穩(wěn)定性的重要參數(shù),因ICEO大,容易測(cè)量,所以常把ICEO作為判斷管子質(zhì)量的重要依據(jù)。
ICBO和ICEO越小,說(shuō)明其質(zhì)量越好。當(dāng)前24頁(yè),總共42頁(yè)。①集電極最大允許電流ICmax——使BJT的β值明顯減小的集電極電流。②集電極最大允許功率損耗PCmax管子的功率損耗為:③反向擊穿電壓:BUCBO:發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極-基極間的反向擊穿電壓。+-+-uBEuCEbceiCiEiBPCmax—pC的平均值不允許超過(guò)的極限值。集電極功率損耗BUCEO:基極開(kāi)路時(shí)集電極-發(fā)射極間的反向擊穿電壓。BUEBO:集電極開(kāi)路時(shí)發(fā)射極-基極間的反向擊穿電壓。BUEBO<BUCEO<
BUCBO常用作選取BJT集電極電源電壓的依據(jù)。3、極限參數(shù):詳見(jiàn):康華光《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》P80~81當(dāng)前25頁(yè),總共42頁(yè)。f0①共射截止頻率f:②特征頻率fT:(BJT最重要的頻率參數(shù))=1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率(BJT喪失電流放大能力),與結(jié)電容有關(guān)。fT1f應(yīng)用BJT時(shí),工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于fT
。由于結(jié)電容的影響,頻率較高時(shí)BJT的值會(huì)隨頻率而變化:時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率。0——BJT的直流(低頻)電流放大系數(shù)。4、BJT的頻率參數(shù):當(dāng)前26頁(yè),總共42頁(yè)。RC
ECEBRbiBiCiE+-uSuBEuCE這是一個(gè)放大電路,這個(gè)電路交直流并存。直流電路:保證BJT工作在放大狀態(tài);交流信號(hào)源:uS為待放大的信號(hào)。問(wèn)題:如何求解支路電流iB,iC,iE?如何求解BJT的極間電壓uBE,uCE?解決方法:應(yīng)用疊加原理用直流等效電路求解直流量:用交流等效電路求解交流量:IB,IC,UBE,UCEib,ic,ube,uce問(wèn)題:①直流電路中BJT如何處理?②交流電路中BJT如何處理?UBE=0.7V,IC=βIB(隱含條件)用BJT的交流小信號(hào)模型代替BJT。這個(gè)小信號(hào)模型是怎么來(lái)的?它的參數(shù)怎么計(jì)算?brcece
rbeibib+ube-+uce-當(dāng)前27頁(yè),總共42頁(yè)。RC
ECEBRbiBiCiE+-uSuBEuCEiBuBE四、BJT的交流小信號(hào)模型及參數(shù)uS0,相當(dāng)于在靜態(tài)工作點(diǎn)上疊加交流信號(hào):UBEIBuSib若工作點(diǎn)選擇適當(dāng),且信號(hào)電壓較小時(shí),可將BJT在小范圍內(nèi)的特性曲線看成直線,BJT可以用一個(gè)線性電路來(lái)代替??梢詫JT看成一個(gè)線性的四端網(wǎng)絡(luò),并用線性元件組成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬BJT端口的伏安特性。IB、UBE、IC、UCE電路如圖所示,靜態(tài)偏置(uS=0)時(shí),各極電壓和電流為:——BJT交流小信號(hào)模型靜態(tài)工作點(diǎn)Q當(dāng)前28頁(yè),總共42頁(yè)。bec(一)BJT的混合等效電路及參數(shù)1、型等效電路及參數(shù)意義bec(1)三區(qū)的體電阻rbb'reeb'rCC低頻管:幾百歐姆高頻管:幾十歐姆①
rbb':基區(qū)體電阻②
rCC:集電區(qū)體電阻③
ree:發(fā)射區(qū)體電阻因兩者截面積大且摻雜濃度高,所以體電阻很小,通常可以忽略。基區(qū)薄且摻雜低,所以體電阻最大。當(dāng)前29頁(yè),總共42頁(yè)。becrbb'reeb'rCC(2)基區(qū)復(fù)合電阻:rb'e反映發(fā)射結(jié)ub'e對(duì)ib的控制作用。rberbe是發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻re折合到基極回路的等效電阻。(發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻)當(dāng)前30頁(yè),總共42頁(yè)。becrbb'reeb'rCCrbegmube(3)BJT的跨導(dǎo):gm
反映發(fā)射結(jié)電壓ub'e對(duì)集電極電流iC的控制能力。室溫下:uCEiC當(dāng)前31頁(yè),總共42頁(yè)。becrbb'reeb'rCCrbe(5)
集電結(jié)反偏動(dòng)態(tài)電阻:rb'C(4)集-射極間電阻:rCerbCrce反映Early效應(yīng)對(duì)iC和iB的影響。iCuCE0uCEiCUAQ(IC,UCE)(幾十千歐以上)UA:厄利電壓,一般大于100V。(100k~10M
)gmube當(dāng)前32頁(yè),總共42頁(yè)。becrbb'reeb'rCCrberbCrcegmubeCbCCbe(6)結(jié)電容Cb'e
:發(fā)射結(jié)等效電容因發(fā)射結(jié)正偏,所以有CbC
:集電結(jié)等效電容(2~10pF)因集電結(jié)反偏,所以有(100~500pF)反映PN結(jié)的電容效應(yīng)。當(dāng)前33頁(yè),總共42頁(yè)。2、混合型等效電路模型參數(shù)的確定(1)模型的組成正向控制和傳輸效應(yīng):基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng):結(jié)電容效應(yīng):體電阻效應(yīng):bb'Cb'ereeCb'crb'crccrcegmub'ecerbb'ub'e+-rb'e(2)模型反映了BJT的四個(gè)物理效應(yīng)因rCC、ree很小,通常都可忽略。becrbb'reeb'rCCrberbCrcegmubeCbCCbe當(dāng)前34頁(yè),總共42頁(yè)。bb'Cb'ereeCb'crb'crccrcegmub'ecerbb'ub'e+-rb'e(3)模型參數(shù)的確定方法①rbb一般會(huì)給出,若沒(méi)有給出,可用200~300代入,或忽略。⑤CbC一般會(huì)給出;②③④rce為幾十千歐到幾百千歐,若不給,可認(rèn)為rce=。若給出條件可計(jì)算:bb'Cb'erb'eCb'crcegmub'ecerbb'rb'cub'e+-當(dāng)前35頁(yè),總共42頁(yè)。bb'Cb'erb'eCb'crcegmub'ecerbb'rb'cub'e+-(1)混模型的適用場(chǎng)合3、混合型等效電路模型的簡(jiǎn)化混模型可用于低頻和高頻。要求:(2)簡(jiǎn)化的低頻混模型低頻時(shí),Cb'e和Cb'c容抗很大,可視為開(kāi)路;rb'c很大,通常視為開(kāi)路。當(dāng)負(fù)載電阻較小時(shí),rce也可視為開(kāi)路。bb'rcecerbb'e
rb'egmub'e低頻+ub'e-當(dāng)前36頁(yè),總共42頁(yè)。hrehoehfehie(二)BJT的H參數(shù)等效模型1、共射BJTH參數(shù)的引出iBiC+-uBEuCE-+自變量?。篿B、uCE;應(yīng)變量?。簎BE、iC輸入、輸出端口的V-A關(guān)系分別為:對(duì)上兩式取全微分,得:在小信號(hào)作用下,可用交流量表示微變量,得:hie、hre、hfe、hoe稱(chēng)為共射BJT的H參數(shù)。當(dāng)前37頁(yè),總共42頁(yè)。2、共射H參數(shù)的物理意義(1)0==ceubbeieiuh——輸出交流短路時(shí)的輸入阻抗。表示BJT輸入特性曲線在工作點(diǎn)處的切線斜率的倒數(shù)。iBuBE常數(shù)=DDCEuBBEiu
iBuBEuCEuBE反映了BJT輸出回路對(duì)輸入回路的影響(厄利效應(yīng))。(2)0==bicebereuuh——輸入端交流開(kāi)路時(shí)的反向電壓傳輸系數(shù)。常數(shù)=DD
B
i
CEBEuuibic+-ubeuce-+當(dāng)前38頁(yè),總共42頁(yè)。(3)0==
ceubcfe
i
ihD
D
CEUBCi
i——輸出交流短路時(shí)的正向電流放大倍數(shù)。反映了ib對(duì)iC的正向控制作用。iCuCEUCEiC
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