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Dokumentenidentifikation DE102004059535B4 06.12.2007
Titel Frequenzteiler
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Körner, Heiko, Söding, AT
Vertreter Jannig & Repkow Patentanwälte, 86199 Augsburg
DE-Anmeldedatum 09.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004059535
Offenlegungstag 29.06.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse H03K 21/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzteiler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Frequenzteiler sind seit vielen Jahren bekannt. Sie werden beispielsweise in phase locked loops (PLLs) eingesetzt und dienen dort dazu, die Ausgangsfrequenz des Oszillators der PLL auf die Referenzfrequenz herunterzuteilen, damit der Phasenvergleich durchgeführt werden kann. Frequenzteiler werden beispielsweise auch dazu verwendet, um die Frequenz eines Oszillators auf die Nutzfrequenz herunterzuteilen. Daneben gibt es bekanntlich noch eine Vielzahl von weiteren Einsatzmöglichkeiten für Frequenzteiler.

Frequenzteiler werden beispielsweise unter Verwendung eines Zählers realisiert, der die steigenden und/oder die fallenden Flanken des ersten Signals zählt und jedes Mal, wenn ein vorbestimmter Zählstand erreicht ist, den Pegel des Zähler-Ausgangssignals ändert oder ein das Erreichen des vorbestimmten Zählstandes repräsentierendes Signal ausgibt, und den Zählstand zurücksetzt.

Frequenzteiler können auch unter Verwendung eines Multivibrators realisiert werden. Ein solcher Frequenzteiler ist beispielsweise aus der DE 1 051 325 A bekannt. Der in der DE 1 051 325 A beschriebene Frequenzteiler ist ein Frequenzteiler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein weiterer Frequenzteiler mit Multivibrator ist aus der DE 1 046 678 bekannt.

Nachteilig an diesen und den anderen bekannten Realisierungen von Frequenzteilern ist, daß diese einen sehr hohen Energiebedarf haben und/oder hinsichtlich der durch sie erzeugbaren Frequenzen beschränkt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen innerhalb eines weiten Frequenzbereiches einsetzbaren Frequenzteiler mit geringer Leistungsaufnahme zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den in Patentanspruch 1 beanspruchten Frequenzteiler gelöst.

Beim beanspruchten Frequenzteiler finden – anders als bei herkömmlichen Frequenzteilern – keine im Takt des ersten Signals erfolgenden Schaltvorgänge statt. Die reduzierte Schaltvorgangsrate im Frequenzteiler hat den positiven Effekt, daß der Frequenzteiler eine geringere Leistungsaufnahme aufweist.

Dabei hat das Vorsehen der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beanspruchten Merkmale den positiven Effekt, daß die Eigenfrequenz des Multivibrators relativ weit von der durch den Frequenzteiler zu erzeugenden Frequenz abweichen und schwanken darf.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung, und den Figuren entnehmbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 den Aufbau des hier vorgestellten Frequenzteilers,

2A den Verlauf einer internen Spannung eines im Frequenzteiler gemäß 1 enthaltenen Multivibrators für den Fall, daß der Multivibrator nicht erfindungsgemäß getriggert wird,

2B den Verlauf des Ausgangssignals des Frequenzteilers gemäß 1 für den Fall, daß die interne Spannung des Multivibrators, deren Verlauf in der 2A gezeigt ist, den in der 2A gezeigten Verlauf aufweist,

2C den Verlauf der Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzteilers gemäß 1 für den Fall, daß die interne Spannung des Multivibrators, deren Verlauf in der 2A gezeigt ist, den in der 2A gezeigten Verlauf aufweist,

3A den Verlauf einer internen Spannung eines im Frequenzteiler gemäß 1 enthaltenen Multivibrators für den Fall, daß der Multivibrator erfindungsgemäß getriggert wird,

3B den Verlauf des Ausgangssignals des Frequenzteilers gemäß 1 für den Fall, daß die interne Spannung des Multivibrators, deren Verlauf in der 3Agezeigt ist, den in der 3A gezeigten Verlauf aufweist,

3C den Verlauf der Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzteilers gemäß 1 für den Fall, daß die interne Spannung des Multivibrators, deren Verlauf in der 3A gezeigt ist, den in der 3A gezeigten Verlauf aufweist,

4A und 4B eine Gegenüberstellung des Verlaufs einer internen Spannungen eines wie im folgenden beschrieben getriggerten Multivibrators und des Verlaufs der entsprechenden internen Spannungen eines ungetriggerten Multivibrators.

Der Aufbau des hier vorgestellten Frequenzteilers ist in 1 gezeigt. Gemäß 1 besteht der hier vorgestellte Frequenzteiler aus einem ersten Inverter 1, einem zweiten Inverter 2, einem ersten Kondensator 3, einem Widerstand 4, einem zweiten Kondensator 5, und einem dritten Inverter 6, wobei diese Komponenten so verschaltet sind, daß

  • – der Ausgangsanschluß des ersten Inverters 1 mit dem Eingangsanschluß des zweiten Inverters 2 verbunden ist,
  • – der Ausgangsanschluß des zweiten Inverters 2

    – mit dem Eingangsanschluß des dritten Inverters 6, sowie

    – über den ersten Kondensator 3 mit dem Eingangsanschluß des ersten Inverters 1, sowie

    – über eine Reihenschaltung des ersten Kondensators 3 und des Widerstandes 4 mit dem Eingangsanschluß des zweiten Inverters 2

    verbunden ist,
  • – dem Eingangsanschluß des ersten Inverters 1 über den als Koppelkondensator dienenden zweiten Kondensator 5 ein erstes Signal u_in zugeführt wird, und
  • – aus dem Ausgangsanschluß des dritten Inverters 6 ein zweites Signal u_out ausgegeben wird, wobei dieses zweite Signal zugleich das Ausgangssignal des Frequenzteilers ist.

Das erste Signal u_in ist ein im wesentlichen rechteckförmiges Signal mit einer ersten Frequenz fin, und das zweite Signal u_out ist ein im wesentlichen rechteckförmiges Signal mit einer zweiten Frequenz fout, wobei fout um einen bestimmten Faktor N kleiner ist als fin, also fout = fin/N gilt, wobei N ein ganzzahliger Wert ist.

Der erste Inverter 1, der zweite Inverter 2, der erste Kondensator 3, und der Widerstand 4 bilden einen Multivibrator. So lange dem Multivibrator kein erstes Signal u_in zugeführt wird, schwingt dieser mit einer vorbestimmten Frequenz, welche im folgenden als seine Eigenfrequenz fRC bezeichnet wird. Die Größe der Eigenfrequenz fRC hängt insbesondere von der Dimensionierung des ersten Kondensators 3 und dem Widerstand 4 ab, und ist durch eine entsprechende Dimensionierung dieser Bauteile auf gewünschte Werte einstellbar. Unter der Voraussetzung, daß die Gatterlaufzeiten kurz sind, und die Umschaltpunkte der Gatter gleich sind und auf halber Versorgungsspannung liegen, gilt fRC = 1/(2,2·RC), wobei R den Widerstand des Widerstandes 4, und C die Kapazität des ersten Kondensators 3 bezeichnen.

Wenn dem Multivibrator das erste Signal u_in zugeführt wird, wird der Multivibrator durch das erste Signal u_in getriggert und wird dadurch veranlaßt, mit einer Frequenz zu schwingen, die sich von der vorstehend erwähnten Eigenfrequenz fRC des Multivibrators unterscheidet. Die sich hierbei einstellenden Effekte werden nachfolgend näher erläutert.

Vorab sei hierzu angemerkt, daß die Versorgungsspannung für die in der 1 gezeigte Anordnung im betrachteten Beispiel 1,5 V beträgt. Es dürfte einleuchten und bedarf keiner näheren Erläuterung, daß die Versorgungsspannung auch beliebige andere Werte annehmen kann. Die Schaltschwellen der Inverter 1, 2, und 6 liegen jeweils bei der halben Versorgungsspannung, im betrachteten Beispiel also jeweils bei 0,75 V.

In den 2A bis 2C sind die Verhältnisse veranschaulicht, die sich einstellen, wenn dem Multivibrator das erste Signal u_in nicht zugeführt wird.

Die 2A zeigt den Verlauf der sich am Eingangsanschluß des ersten Inverters 1 einstellenden internen Multivibrator-Spannung u1. In der 2A ist ferner dargestellt, welchen Verlauf das dem Multivibrator im betrachteten Zeitraum nicht zugeführte erste Signal u_in hat.

Wie aus der 2A ersichtlich ist, weist die Spannung u1 ausgehend von ihrem minimalen Wert, welcher im betrachteten Beispiel bei der –0,5-fachen Versorgungsspannung liegt, zunächst einen relativ flachen Anstieg bis zur Schwellenspannung der Inverter 1, 2, 6 auf, welche, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, bei ca. 0,75 V liegt. Ab hier steigt die Spannung u1 sprungartig auf ihren maximalen Wert, welcher im betrachteten Beispiel ungefähr bei der 1,5-fachen Versorgungsspannung liegt. Von diesem maximalen Wert erfolgt sodann zunächst ein relativ flacher Abfall bis zur Schwellenspannung der Inverter 1, 2, 6, und danach ein Sprung auf den minimalen Wert. Die Spannung u1 weist einen periodischen Verlauf auf, so daß sich der beschriebene Verlauf mit der Eigenfrequenz fRC des Multivibrators fortlaufend wiederholt. Wie aus der 2A, insbesondere an der Lage, die die sprunghaften Anstiege und Abfälle der Spannung u1 relativ zu den steigenden und fallenden Flanken des ersten Signals u_in aufweisen, ersichtlich ist, weist die Spannung u1 eine sich ändernde Phasenlage zum ersten Signal u_in auf. Im dargestellten Beispiel beträgt die Frequenz der Spannung u1 (die Eigenfrequenz fRC des Multivibrators) ca. 101,94 MHz, und beträgt die Frequenz fin des ersten Signals u_in 1 GHz.

Die 2B zeigt den zeitlichen Verlauf des aus dem dritten Inverter 6 ausgegebenen zweiten Signals u_out, und die 2B den Verlauf der Frequenz fout des zweiten Signals u_out.

Interessant an 2C ist, daß die Frequenz des zweiten Signals u_out nicht völlig konstant ist.

In den 3A bis 3C sind die Verhältnisse veranschaulicht, die sich einstellen, wenn dem Multivibrator das erste Signal u_in zugeführt wird.

Die 3A zeigt den Verlauf der sich am Eingangsanschluß des ersten Inverters 1 einstellenden Spannung u1. In der 3A ist ferner dargestellt, welchen Verlauf das dem Multivibrator nunmehr zugeführte erste Signal u_in hat.

Wie aus der 3A ersichtlich ist, weist die Spannung u1 einen ähnlichen Verlauf auf wie die in der 2A dargestellte Spannung u1. Allerdings ist die in der 3A gezeigte Spannung u1 von Peaks P überlagert, wobei bei jeder steigenden Flanke des ersten Signals u_in ein Peak nach oben auftritt, und bei jeder fallenden Flanke des ersten Signals u_in ein Peak nach unten auftritt. Diese Peaks P haben zur Folge, daß der Inverter 1 und damit auch die Inverter 2 und 6 zu anderen Zeitpunkten umschalten als es der Fall ist, wenn die Spannung u_in wie in der 2A gezeigt keine Peaks P aufweist. Die meisten dieser Peaks P zeigen keine Wirkung. Die Peaks zeigen aber Wirkung, wenn sich die Spannung u1 gerade von oben oder unten an die Schaltschwelle der Inverter 1, 2, 6 annähert und sich bereits in unmittelbarer Nähe der Schwellenspannung befindet. Die in dieser Phase auftretenden Peaks bewirken, daß die Spannung u1 die Schaltschwelle der Inverter 1, 2, 6 früher oder später erreicht als es der Fall ist, wenn die Spannung u1 den in der 2A gezeigten Verlauf hat. Wie aus der 3A, insbesondere an der Lage, die die sprunghaften Anstiege und Abfälle der Spannung u1 relativ zu den steigenden und fallenden Flanken des ersten Signals u_in aufweisen, ersichtlich ist, weist die Spannung u1 eine konstante Phasenlage zum ersten Signal u_in auf. Ferner ist die Frequenz der Spannung u1 nicht mehr die Eigenfrequenz fRC des Multivibrators (101,94 MHz), sondern genau ein N-tel der Frequenz fin des ersten Signals (1 GHz), wobei N im betrachteten Beispiel gleich 10 ist, und die Frequenz der Spannung u1 demzufolge genau 100 MHz beträgt. Entsprechendes gilt für das Ausgangssignal u_out des Frequenzteilers. Dieses ist, wie in den 3B und 3C veranschaulicht ist, ein rechteckförmiges Signal mit einer Frequenz von 100 MHz. Die 3B zeigt den zeitlichen Verlauf des aus dem dritten Inverter 6 ausgegebenen zweiten Signals u_out, und die 3C den Verlauf der Frequenz fout des zweiten Signals u_out.

Das durch das erste Signal u_in, genauer gesagt das durch Peaks P veranlaßte frühere oder spätere Umschalten der Inverter ist in 4A und 4B veranschaulicht. In den 4A und 4B sind der Verlauf der Spannung u1 eines ungetriggerten Multivibrators und die Spannung u1 eines durch u_in getriggerten Multivibrators übereinander gezeichnet.

In dem in der 4A gezeigten Fall tritt im Verlauf der Spannung u1 des getriggerten Multivibrators während des langsamen Absinkens der Spannung u1 von deren Maximalwert auf die Schaltschwelle der Inverter unmittelbar vor dem Erreichen der Schaltschwelle ein positiver Peak P1 auf. Dieser positive Peak bewirkt, daß die Spannung u1 die Schaltschwelle erst nach dem Zeitpunkt erreicht, zu welchem die Spannung u1 des ungetriggerten Multivibrators die Schaltschwelle erreicht. Die Folge ist, daß das Umschalten der Inverter beim getriggerten Multivibrator um &Dgr;t1 später erfolgt als es beim ungetriggerten Multivibrator der Fall wäre.

In dem in der 4B gezeigten Fall tritt im Verlauf der Spannung u1 des getriggerten Multivibrators während des langsamen Absinkens der Spannung u1 von deren Maximalwert auf die Schaltschwelle der Inverter unmittelbar vor dem Erreichen der Schaltschwelle ein negativer Peak P2 auf. Dieser negative Peak bewirkt, daß die Spannung u1 die Schaltschwelle bereits vor dem Zeitpunkt erreicht, zu welchem die Spannung u1 des ungetriggerten Multivibrators die Schaltschwelle erreicht.

Die Folge ist, daß das Umschalten der Inverter beim getriggerten Multivibrator um &Dgr;t2 früher erfolgt als es beim ungetriggerten Multivibrator der Fall wäre.

Der in der 4A gezeigte Fall tritt auf, wenn die Eigenfrequenz fRC des Multivibrators kleiner ist als fin/N. Der in der 4B gezeigte Fall tritt auf, wenn die Eigenfrequenz fRC des Multivibrators größer ist als fin/N.

Wie aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlich ist, hat das Triggern des Multivibrators durch das diesem über den zweiten Kondensator 5 zugeführte erste Signal u_in den Effekt, daß sich der Multivibrator wie ein Frequenzteiler verhält. D.h., die Frequenz des Ausgangssignals der in der 1 gezeigten Anordnung ist unabhängig von der Eigenfrequenz des Multivibrators um einen ganzzahligen Faktor N kleiner als die Frequenz des zum Triggern verwendeten Signals. Genauer gesagt wird der Multivibrator durch das Triggern auf die Frequenz synchronisiert, die von denjenigen Frequenzen, die um einen ganzzahligen Faktor kleiner sind als die Frequenz des zum Triggern verwendeten Signals, am nächsten bei der Eigenfrequenz des Multivibrators liegt.

Bei dem unter Bezugnahme auf die 2A bis 2C und 3A bis 3C beschriebenen Beispiel liegt die Eigenfrequenz fRC des Multivibrators (101,94 MHz) relativ nahe bei der Frequenz fin/N (100 MHz) des durch den Frequenzteiler erzeugten Signals. Die Differenz zwischen den Frequenzen fRC und fin/N kann aber auch größer sein. Die Eigenfrequenz fRC des Multivibrators kann zwischen fin/(N + 0,5) und fin/(N – 0,5) liegen. Genauer gesagt gilt: fin/(N + 0,5) < fRC < fin/(N – 0,5).

Die Höhe und der genaue zeitliche Verlauf der Peaks hängt von der Amplitude des ersten Signals u_in sowie von der Dimensionierung des zweiten Kondensators 5 ab. Im betrachteten Beispiel ist die Amplitude des ersten Signals u_in gleich der Versorgungsspannung, und beträgt die Kapazität des zweiten Kondensators 5 etwa 1/100 der Kapazität des ersten Kondensators 3. Es dürfte einleuchten und bedarf keiner näheren Erläuterung, daß hierauf keine Einschränkung besteht. Die Peaks, die die Spannung u1 des getriggerten Multivibrators aufweisen muß, damit sich dieser wie ein Frequenzteiler verhält, lassen sich auch durch andere Amplituden des ersten Signals u_in und/oder durch einen eine andere Kapazität aufweisenden zweiten Kondensator 5 erzeugen. Es muß lediglich gewährleistet werden, daß der letzte Peak, und zwar nur der letzte Peak, der auftritt, bevor die Spannung u1 eines ungetriggerten Multivibrators die Schwellenspannung der Inverter erreichen würde, in der Lage ist, das Erreichen der Schwellenspannung zu verzögern oder zu beschleunigen.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß der dritte Inverter 6 als Buffer dient und das Ausgangssignal rückwirkungsfrei entkoppelt, und daß der dritte Inverter 6 durch eine beliebige andere Einrichtung mit den genannten Eigenschaften ersetzt werden kann.

Unabhängig hiervon läßt sich der hier vorgestellte Frequenzteiler auch unter Verwendung von Multivibratoren realisieren, die anders aufgebaut sind als der Multivibrator, unter Verwendung dessen der hier vorgestellte Frequenzteiler realisiert ist.

Der hier vorgestellte Frequenzteiler erweist sich unabhängig von den Einzelheiten der praktischen Realisierung als vorteilhaft. Die in einem solchen Frequenzteiler stattfindenden Schaltvorgänge erfolgen im Gegensatz zu herkömmlichen Frequenzteilern nicht im Takt der zu teilenden Frequenz, sondern im Takt der geteilten Frequenz, so daß pro Zeiteinheit eine erheblich geringere Anzahl von Schaltvorgängen durchzuführen ist und der Frequenzteiler eine dementsprechend geringere Leistungsaufnahme hat.

1
erster Inverter
2
zweiter Inverter
3
erster Kondensator
3
Widerstand
5
zweiter Kondensator
6
dritter Inverter
P
Peak
P1
Peak
P2
Peak
u_in
erstes Signal
U_out
zweites Signal
U1
interne Spannung
U2
interne Spannung
U3
interne Spannung


Anspruch[de]
Frequenzteiler, welchem ein eine erste Frequenz fin aufweisendes erstes Signal (u_in) zugeführt wird, und welcher ein eine zweite Frequenz fout aufweisendes zweites Signal (u_out) erzeugt, wobei die zweite Frequenz um einen bestimmten ganzzahligen Faktor N kleiner ist als die erste Frequenz, wobei die Erzeugung des zweiten Signals unter Verwendung eines Multivibrators (1, 2, 3, 4) erfolgt, wobei der Multivibrator einen Steuer-Eingangsanschluß aufweist, über welchen ihm über einen Koppelkondensator (5) das erste Signal zugeführt wird, und wobei der Multivibrator durch das ihm über den Steuer-Eingangsanschluß zugeführte Signal getriggert wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Multivibrator (1, 2, 3, 4) einen ersten Inverter (1), einen zweiten Inverter (2), einen ersten Kondensator (3), und einen Widerstand (4) umfaßt, wobei

– der Ausgangsanschluß des ersten Inverters mit dem Eingangsanschluß des zweiten Inverters verbunden ist, und

– der Ausgangsanschluß des zweiten Inverters über den ersten Kondensator mit dem Eingangsanschluß des ersten Inverters und über eine Reihenschaltung des ersten Kondensators und des Widerstandes mit dem Eingangsanschluß des zweiten Inverters verbunden ist.
Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (1, 2, 3, 4) so aufgebaut ist, daß er im ungetriggerten Zustand mit einer vorbestimmten Eigenfrequenz fRC schwingt, und durch das Triggern in einen Zustand versetzt wird, in welchem er mit einer von der Eigenfrequenz abweichenden Frequenz schwingt. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (1, 2, 3, 4) so aufgebaut ist, daß er im ungetriggerten Zustand mit einer vorbestimmten Eigenfrequenz fRC schwingt, und durch das Triggern in einen Zustand versetzt wird, in welchem er mit der Frequenz fout des zweiten Signals (u_out) schwingt. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (1, 2, 3, 4) so aufgebaut ist, daß der Faktor, um welchen die Frequenz fout des zweiten Signals (u_out) geringer ist als die Frequenz fin des ersten Signals (u_in), von der Eigenfrequenz des ungetriggerten Multivibrators abhängt. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (1, 2, 3, 4) so aufgebaut ist, daß die Einstellung der Eigenfrequenz fRC des ungetriggerten Multivibrators auf fin/(N + 0,5) < fRC < fin/(N – 0,5) automatisch zur Folge hat, daß der unter Verwendung des ersten Signals (u_in) getriggerte Multivibrator mit einer Frequenz schwingt, die um den Faktor N kleiner ist als die Frequenz des ersten Signals. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Multivibrator (1, 2, 3, 4) Schaltvorgänge stattfinden, und daß durch das Triggern des Multivibrators Einfluß auf die Schaltzeitpunkte genommen wird. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Multivibrator (1, 2, 3, 4) Schaltvorgänge stattfinden, wobei das die Schaltvorgänge auslösende Ereignis darin besteht, daß eine interne Spannung (u1) des Multivibrators eine bestimmte Schwellenspannung unterschreitet oder überschreitet. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (1, 2, 3, 4) so aufgebaut ist, daß durch das Triggern der Verlauf der internen Spannung (u1) verändert wird. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer-Eingangsanschluß mit dem Eingangsanschluß des ersten Inverters (1) verbunden ist. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsanschluß des zweiten Inverters (2) mit einem Puffer (6) zur rückwirkungsfreien Auskopplung des aus dem zweiten Inverter ausgegebenen Signals verbunden ist. Frequenzteiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Puffer (6) durch einen dritten Inverter gebildet wird. Frequenzteiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Puffers (6) als das zweite Signal (u_out) verwendet wird.






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