什么是放大器（放大器的工作原理與使用方法介紹）
什么是放大器？
放(fang)(fang)大器(qi)是用于描述產(chan)生和(he)增加其輸(shu)入信號版本(ben)的電(dian)(dian)路(lu)的通(tong)用術(shu)語。但并非(fei)所(suo)有放(fang)(fang)大電(dian)(dian)路(lu)都相同，因(yin)為它們是根(gen)據(ju)其電(dian)(dian)路(lu)配置和(he)操作模式進行分(fen)類的。
在“電(dian)子”中，小信號(hao)放(fang)大(da)(da)器是常用的(de)設備，因為(wei)它們能夠將相對較小的(de)輸(shu)入(ru)信號(hao)（例(li)如來自(zi)傳(chuan)感器（如光電(dian)設備））放(fang)大(da)(da)為(wei)更大(da)(da)的(de)輸(shu)出信號(hao)，以驅動繼(ji)電(dian)器、燈(deng)或以揚聲器為(wei)例(li)。
有許多形式的(de)(de)(de)電(dian)子電(dian)路被(bei)歸類(lei)為放(fang)大(da)器(qi)(qi)，從運算放(fang)大(da)器(qi)(qi)和(he)小(xiao)信號(hao)放(fang)大(da)器(qi)(qi)到大(da)信號(hao)和(he)功率放(fang)大(da)器(qi)(qi)。放(fang)大(da)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)分類(lei)取(qu)決(jue)于信號(hao)的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)、其(qi)物理配置以及它如何處理輸入信號(hao)，即輸入信號(hao)與(yu)負載中流動的(de)(de)(de)電(dian)流之間的(de)(de)(de)關系(xi)。
放大(da)器(qi)可以被認為(wei)是一(yi)個(ge)(ge)包(bao)含放大(da)設(she)備(bei)的簡單盒子或塊，例如雙極(ji)晶體管、場效(xiao)應晶體管或運(yun)算放大(da)器(qi)，它(ta)有兩個(ge)(ge)輸(shu)入端(duan)和兩個(ge)(ge)輸(shu)出端(duan)（接地(di)），輸(shu)出信(xin)號要大(da)得多比輸(shu)入信(xin)號，因(yin)為(wei)它(ta)已(yi)被“放大(da)”。
理想的信號放大(da)器(qi)將具有三個主要屬性：輸(shu)入電阻(zu)、輸(shu)出電阻(zu)、增益的放大(da)。無(wu)論放大(da)器(qi)電路多么復(fu)雜，仍然可(ke)以使用通用放大(da)器(qi)模(mo)型(xing)來(lai)顯示這(zhe)三個屬性的關(guan)系。
理想放大器模型
輸入和(he)輸出信(xin)號之間的放大差異(yi)稱(cheng)為放大器的增益。
增(zeng)(zeng)益基(ji)本上是(shi)衡量放(fang)大器(qi)“放(fang)大”輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)號(hao)的程度。例如，如果我們(men)有1V輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)號(hao)和50V的輸(shu)出，那么放(fang)大器(qi)的增(zeng)(zeng)益將為(wei)“50”。換句(ju)話(hua)說，輸(shu)入(ru)信(xin)(xin)(xin)號(hao)增(zeng)(zeng)加了50倍。這種增(zeng)(zeng)加稱為(wei)增(zeng)(zeng)益。
放大器增(zeng)益只是(shi)輸出除以輸入的比率。增(zeng)益沒(mei)有單位作為它的比率，但在電子學中，它通常被賦予符(fu)號(hao)“A”，表示放大。然后放大器的增(zeng)益可以簡單地計(ji)算為“輸出信號(hao)除以輸入信號(hao)”。
放大器增益
放大器增(zeng)(zeng)益的(de)(de)引入(ru)可以(yi)(yi)說是輸出端(duan)測(ce)得(de)的(de)(de)信號與輸入(ru)端(duan)測(ce)得(de)的(de)(de)信號之(zhi)間存在的(de)(de)關(guan)系。可以(yi)(yi)測(ce)量(liang)三種(zhong)不(bu)同類型的(de)(de)放大器增(zeng)(zeng)益，它們是：電壓增(zeng)(zeng)益(Av)、電流增(zeng)(zeng)益(Ai)和功率增(zeng)(zeng)益(Ap)，具體(ti)取決(jue)于所測(ce)量(liang)的(de)(de)量(liang)，下(xia)面給出了這(zhe)些不(bu)同類型增(zeng)(zeng)益的(de)(de)示(shi)例(li).
電壓放大器增益
電壓放(fang)大(da)器增益公式
電流放大器增益
電流放大器(qi)增(zeng)益公式
功率放大器增益
功率放大器增益
對于(yu)功(gong)率(lv)(lv)增益，也可以將輸(shu)出獲得(de)的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)除(chu)以輸(shu)入(ru)獲得(de)的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)。在(zai)計算放大器的(de)(de)增益時(shi)，一定要注意下標v、i和p用(yong)于(yu)表示所使用(yong)的(de)(de)信號增益類型。
放大(da)器的(de)功率增益(Ap)或功率電平也可(ke)以(yi)用分貝(bei)(dB)表示。B是一個對(dui)數單位(wei)（以(yi)10為底），沒有單位(wei)。由于Bel是一個太大(da)的(de)計(ji)量單位(wei)，要以(yi)分貝(bei)或dB為單位(wei)計(ji)算放大(da)器的(de)增益，我們可(ke)以(yi)使(shi)用以(yi)下表達式。
電壓增益(yi)(dB)：av=20*log(Av)
電(dian)流增(zeng)益(yi)(dB)：ai=20*log(Ai)
以dB為單位的功率增益：ap=10*log(Ap)
放大器(qi)的直(zhi)流(liu)功率增益等(deng)于輸(shu)出(chu)輸(shu)入比的常用對數(shu)(shu)的10倍，其中(zhong)電(dian)壓和電(dian)流(liu)增益是(shi)該比的常用對數(shu)(shu)的20倍。但是(shi)要(yao)注意20dB的功率不(bu)是(shi)10dB的兩倍。
此外，dB的(de)正值(zhi)(zhi)表示(shi)增(zeng)(zeng)益，dB的(de)負值(zhi)(zhi)表示(shi)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)內(nei)的(de)損耗。例如，+3dB的(de)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)增(zeng)(zeng)益表示(shi)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)的(de)輸出信(xin)號“加倍”，而-3dB的(de)放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)增(zeng)(zeng)益表示(shi)信(xin)號“減半(ban)”，換句話說是損失。
放(fang)大器的-3dB點稱為半功率點，從最大值下降(jiang)-3dB，以0dB為最大輸(shu)出值。
放大器的工作原理
確定一個放大器的電壓(ya)、電流(liu)和功率增益(yi)，該放大器在(zai)10mV時輸(shu)入信號為1mA，在(zai)1V時相(xiang)應輸(shu)出信號為10mA。此外，以分貝(dB)表示所有三個增益(yi)。
放大器(qi)的(de)電壓增(zeng)益(yi)(yi)(Av)為(wei)100，電流(liu)增(zeng)益(yi)(yi)(Ai)為(wei)10，功率增(zeng)益(yi)(yi)(Ap)為(wei)1,000。
通常(chang)，放(fang)(fang)大(da)器可以根據(ju)其功率或電壓增益細分(fen)為(wei)兩種不(bu)同的(de)類型。一種稱為(wei)小信號(hao)放(fang)(fang)大(da)器，包括(kuo)前置放(fang)(fang)大(da)器、儀表放(fang)(fang)大(da)器等(deng)。小信號(hao)放(fang)(fang)大(da)器旨在放(fang)(fang)大(da)來自傳感器或音(yin)頻信號(hao)的(de)非常(chang)小的(de)信號(hao)電壓電平，僅(jin)為(wei)幾微伏(fu)(μV)。
另(ling)一(yi)種稱為大(da)(da)信號放(fang)大(da)(da)器，例如音頻功率放(fang)大(da)(da)器或功率開關放(fang)大(da)(da)器。大(da)(da)信號放(fang)大(da)(da)器旨在放(fang)大(da)(da)大(da)(da)輸入電壓信號或切換重負載電流，就(jiu)像您會發現驅動揚聲器一(yi)樣(yang)。
功(gong)率放大器工作原理
小信號放大(da)器(qi)通常(chang)被(bei)稱(cheng)為(wei)“電(dian)(dian)壓”放大(da)器(qi)，因為(wei)它們通常(chang)將小輸(shu)入電(dian)(dian)壓轉(zhuan)換為(wei)大(da)得(de)多的(de)(de)(de)輸(shu)出電(dian)(dian)壓。有(you)時(shi)需要放大(da)器(qi)電(dian)(dian)路來驅動電(dian)(dian)機或為(wei)揚聲器(qi)供電(dian)(dian)，而(er)對(dui)于需要高開關電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)這些類型的(de)(de)(de)應(ying)用，則需要功率放大(da)器(qi)。
顧名(ming)思義，“功(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)大器(qi)”（也(ye)稱為大信(xin)號(hao)(hao)放(fang)大器(qi)）的主要(yao)工作是向負(fu)載提供功(gong)率(lv)(lv)(lv)，正如我們從上面所知道的，是施(shi)加到負(fu)載上的電(dian)壓和(he)電(dian)流的乘積。輸出(chu)(chu)信(xin)號(hao)(hao)功(gong)率(lv)(lv)(lv)大于(yu)輸入(ru)信(xin)號(hao)(hao)功(gong)率(lv)(lv)(lv)的負(fu)載。換句(ju)話說，功(gong)率(lv)(lv)(lv)放(fang)大器(qi)放(fang)大輸入(ru)信(xin)號(hao)(hao)的功(gong)率(lv)(lv)(lv)，這就是為什么這些類型的放(fang)大器(qi)電(dian)路用于(yu)音頻放(fang)大器(qi)輸出(chu)(chu)級以驅動揚聲器(qi)的原因。
功率放大器(qi)的(de)(de)工(gong)作原理(li)是將(jiang)從電(dian)源汲取的(de)(de)直流(liu)電(dian)轉換(huan)成交流(liu)電(dian)壓信(xin)號(hao)(hao)傳送(song)到負(fu)載。雖然放大率很高，但從直流(liu)電(dian)源輸(shu)(shu)入(ru)到交流(liu)電(dian)壓信(xin)號(hao)(hao)輸(shu)(shu)出(chu)的(de)(de)轉換(huan)效率通常很差。
完美或理想的放(fang)大器(qi)(qi)(qi)會給我們100%的效率(lv)(lv)等級，至(zhi)少功率(lv)(lv)“IN”將(jiang)等于功率(lv)(lv)“OUT”。但實際上(shang)是(shi)不可能(neng)的，因為一些功率(lv)(lv)會以熱量的形式損失(shi)掉，而且放(fang)大器(qi)(qi)(qi)本(ben)身在(zai)放(fang)大過(guo)程中也會消耗功率(lv)(lv)。那么放(fang)大器(qi)(qi)(qi)的效率(lv)(lv)為：
放大器效率
放大器效率公式
理想放大器
我們可以從上(shang)面關(guan)于增益(yi)的(de)討論中知(zhi)道理(li)想放大器(qi)的(de)特性，即電(dian)壓增益(yi)：
對于不(bu)同的(de)輸入信號值，放大器增(zeng)益(yi)(應保持恒定(ding)。
增益不(bu)受頻(pin)(pin)率影(ying)響(xiang)。所有(you)頻(pin)(pin)率的(de)信號必須(xu)以完全相同的(de)量(liang)放(fang)大。
放大器增(zeng)益不得(de)向輸出信號添加噪聲。它(ta)應該消除輸入信號中已經存在的(de)任何(he)噪聲。
放大器增(zeng)益不應受到溫(wen)度變(bian)化(hua)的(de)影響，從而提供良好的(de)溫(wen)度穩定性。
放大器的增益(yi)必須(xu)長時間保持穩定。
電子放大器類
通過測量(liang)電流在輸(shu)出(chu)電路中流動與(yu)輸(shu)入(ru)信號相關的(de)時間量(liang)來比較輸(shu)入(ru)和輸(shu)出(chu)信號的(de)特性，從而將放大(da)(da)器分類為電壓放大(da)(da)器或(huo)功率放大(da)(da)器。
要使晶體管(guan)(guan)在其“有源區域”內運行，需要某種形式的(de)(de)“基(ji)極偏置”。添加(jia)到輸(shu)入(ru)信號的(de)(de)這個小的(de)(de)基(ji)極偏置電(dian)壓允許晶體管(guan)(guan)在其輸(shu)出端再(zai)現完整的(de)(de)輸(shu)入(ru)波形，而不會丟(diu)失信號。
然而，通過(guo)(guo)改(gai)變(bian)該基(ji)極偏置(zhi)電壓的位(wei)置(zhi)，可(ke)以(yi)使放大(da)(da)器(qi)(qi)以(yi)不(bu)同(tong)于全(quan)波形(xing)再(zai)現的放大(da)(da)模式(shi)(shi)工(gong)作(zuo)。通過(guo)(guo)引入基(ji)極偏置(zhi)電壓的放大(da)(da)器(qi)(qi)，可(ke)以(yi)獲得不(bu)同(tong)的工(gong)作(zuo)范圍(wei)和工(gong)作(zuo)模式(shi)(shi)，并(bing)根據其分(fen)類進行分(fen)類。這些不(bu)同(tong)的操作(zuo)模式(shi)(shi)被稱為放大(da)(da)器(qi)(qi)類。
音頻功(gong)率(lv)放大器根據其電路配置和操作模式按字母(mu)順序分類。放大器由不同(tong)的操作類別指定，例(li)如(ru)“A”類、“B”類、“C”類、“AB”類等。這(zhe)些不同(tong)的放大器類別范圍(wei)從接近線(xian)性輸出但(dan)效率(lv)低到非線(xian)性輸出，但(dan)效率(lv)高(gao)。
沒有一類(lei)(lei)操(cao)作(zuo)比任何(he)其他類(lei)(lei)“更好(hao)”或“更差”，操(cao)作(zuo)類(lei)(lei)型取決于(yu)放大電(dian)路的使用。各(ge)種類(lei)(lei)型或類(lei)(lei)別的放大器都有典型的最(zui)(zui)大轉換效率(lv)，最(zui)(zui)常用的是：
A類放(fang)大(da)器——效率低于40%，但具有良好的信號再(zai)現和線性(xing)度。
B類放(fang)大(da)(da)器-效率是(shi)A類放(fang)大(da)(da)器的兩倍，最(zui)大(da)(da)理論效率約(yue)為(wei)70%，因為(wei)放(fang)大(da)(da)設備僅(jin)傳(chuan)導（并使用功(gong)率）輸(shu)入信號的一(yi)半。
AB類放(fang)大(da)(da)器-效(xiao)率等(deng)級介于A類和B類之間，但(dan)信號再現(xian)性比A類放(fang)大(da)(da)器差。
C類(lei)放(fang)大(da)器-是最有(you)(you)效的放(fang)大(da)器類(lei)，但失真(zhen)非(fei)常高(gao)，因(yin)為(wei)只有(you)(you)一(yi)小(xiao)部分輸入(ru)信號(hao)被放(fang)大(da)，因(yin)此(ci)輸出信號(hao)與輸入(ru)信號(hao)幾(ji)乎沒有(you)(you)相似之處。C類(lei)放(fang)大(da)器的信號(hao)再(zai)現最差。
A類放大器工作原理
A類放大(da)器操(cao)作是在(zai)放大(da)器輸(shu)出(chu)端全部再現整個輸(shu)入(ru)信號(hao)波形，因為晶(jing)體管(guan)在(zai)其(qi)有源區(qu)域(yu)內完(wan)全偏置。這意味著開(kai)關晶(jing)體管(guan)永遠不會被驅動到其(qi)截止或飽和區(qu)域(yu)。結(jie)果是交流(liu)輸(shu)入(ru)信號(hao)完(wan)全“集中”在(zai)放大(da)器信號(hao)上限和下限之(zhi)間(jian)，如(ru)下所示(shi)。
A類放(fang)大器輸(shu)出波形
A類放大器(qi)配置(zhi)對輸出(chu)波形的(de)(de)兩半使(shi)用相同的(de)(de)開關(guan)(guan)晶(jing)體管(guan)，并且由于(yu)其中央偏(pian)置(zhi)布置(zhi)，輸出(chu)晶(jing)體管(guan)始(shi)終具有恒定的(de)(de)直(zhi)流偏(pian)置(zhi)電(dian)流（ICQ）流過它(ta)，即使(shi)沒(mei)有輸入信號存在。換句(ju)話說，輸出(chu)晶(jing)體管(guan)永遠不會“關(guan)(guan)閉”并且處于(yu)永久空(kong)閑狀態。
這導(dao)致A類操作的(de)效率(lv)有些低(di)，因為它將(jiang)直流(liu)電源(yuan)功率(lv)轉(zhuan)換為傳(chuan)遞(di)給負(fu)載(zai)的(de)交流(liu)信號功率(lv)通常非(fei)常低(di)。
由于這個中(zhong)心(xin)偏置點，A類(lei)放大器的(de)(de)輸(shu)(shu)出晶體管會(hui)變得(de)非常熱(re)，即使在沒有(you)輸(shu)(shu)入信號(hao)的(de)(de)情況下也是如(ru)此(ci)，因此(ci)需要某種形式的(de)(de)散熱(re)裝(zhuang)置。流經晶體管集電極的(de)(de)直(zhi)流偏置電流(ICQ)等于流經集電極負載的(de)(de)電流。因此(ci)，A類(lei)放大器的(de)(de)效率(lv)非常低，因為(wei)大部分DC功率(lv)都轉(zhuan)化為(wei)熱(re)量。
B類放大(da)器工(gong)作原理
與上述(shu)使用單個(ge)晶體管作為其輸(shu)出功率級的A類放(fang)(fang)大(da)器工作模(mo)式(shi)不同，B類放(fang)(fang)大(da)器使用兩個(ge)互補晶體管（一個(ge)NPN和一個(ge)PNP或一個(ge)NMOS和一個(ge)PMOS）來放(fang)(fang)大(da)每一半輸(shu)出波形。
一(yi)(yi)(yi)個晶(jing)體(ti)管僅對信(xin)號(hao)波形的一(yi)(yi)(yi)半(ban)導通，而另一(yi)(yi)(yi)個晶(jing)體(ti)管對信(xin)號(hao)波形的另一(yi)(yi)(yi)半(ban)或相反一(yi)(yi)(yi)半(ban)導通。這意(yi)味著每(mei)個晶(jing)體(ti)管有(you)一(yi)(yi)(yi)半(ban)的時(shi)間在(zai)有(you)源(yuan)區(qu)，一(yi)(yi)(yi)半(ban)的時(shi)間在(zai)截(jie)止區(qu)，因(yin)此只放大(da)了50%的輸(shu)入信(xin)號(hao)。
與A類放大(da)器不同，B類沒有(you)直接的直流偏(pian)置(zhi)電(dian)壓，而是晶(jing)(jing)體管僅在(zai)(zai)輸(shu)(shu)入信號大(da)于基極(ji)-發射極(ji)電(dian)壓(VBE)時(shi)才(cai)導通，對(dui)于硅晶(jing)(jing)體管，這約(yue)為(wei)0.7v。因(yin)此，零輸(shu)(shu)入信號有(you)零輸(shu)(shu)出(chu)。由(you)于只有(you)一半的輸(shu)(shu)入信號出(chu)現在(zai)(zai)放大(da)器輸(shu)(shu)出(chu)端，因(yin)此與之前(qian)的A類配置(zhi)相比(bi)，這提高了放大(da)器的效(xiao)率，如下所示。
B類放大器輸出波形
在B類(lei)放大器中，不使(shi)用直流電(dian)壓(ya)(ya)來(lai)偏置晶體(ti)管，因此(ci)輸出晶體(ti)管要開始(shi)導通(tong)波形的每一半，無論是正的還是負的，它們(men)需要基極(ji)(ji)(ji)-發射極(ji)(ji)(ji)電(dian)壓(ya)(ya)VBE大于標準(zhun)雙(shuang)極(ji)(ji)(ji)晶體(ti)管開始(shi)導通(tong)所(suo)需的0.7v正向壓(ya)(ya)降。
因(yin)此(ci)，低于(yu)此(ci)0.7v窗口的(de)輸(shu)出(chu)(chu)波形的(de)下部(bu)將(jiang)無法準(zhun)確再現。這會導致輸(shu)出(chu)(chu)波形的(de)失真區域，因(yin)為一(yi)旦VBE>0.7V，一(yi)個晶體(ti)管“關(guan)閉”，等待另一(yi)個晶體(ti)管返回“開啟”。結果(guo)是在零(ling)電壓交叉(cha)點處有一(yi)小部(bu)分輸(shu)出(chu)(chu)波形會失真。這種類型的(de)失真稱為交叉(cha)失真，之(zhi)后會介紹。
AB類放大器工作原理
AB類放大器(qi)是上述A類和(he)B類配置之(zhi)間的(de)折衷方案。雖然AB類操作在(zai)其輸(shu)出(chu)級仍然使用兩個互補晶體管(guan)，但在(zai)沒有輸(shu)入(ru)信號(hao)時(shi)，將非常小的(de)偏置電壓施加到(dao)每個晶體管(guan)的(de)基極，以將它們偏置到(dao)接近(jin)截止區域的(de)位置。
輸(shu)入信(xin)號將(jiang)導(dao)致晶(jing)體管(guan)在其有(you)(you)源區域內正(zheng)常(chang)(chang)工作(zuo)，從而消(xiao)除B類配置(zhi)中始終(zhong)存在的任何交叉失真。當沒有(you)(you)輸(shu)入信(xin)號存在時(shi)，一個小的偏置(zhi)集電(dian)極電(dian)流(ICQ)將(jiang)流過晶(jing)體管(guan)，但通常(chang)(chang)它比A類放大(da)器配置(zhi)的電(dian)流小得多。
因(yin)此，每個(ge)晶體管在輸(shu)入波形(xing)的(de)半個(ge)多周期內都處于“導通”狀態。與上述純A類(lei)配置(zhi)相比，AB類(lei)放大(da)器配置(zhi)的(de)小偏(pian)置(zhi)提高(gao)了(le)放大(da)器電路(lu)的(de)效(xiao)率和(he)線性度。
AB類放大器輸(shu)出波形
在設計放(fang)大器(qi)電路時(shi)，放(fang)大器(qi)的(de)工作等級非常重要，因為它決定了其工作所(suo)需的(de)晶體管偏(pian)置量以及輸入信號的(de)最大幅度。
放(fang)(fang)大器分(fen)(fen)類(lei)(lei)考(kao)慮了輸出晶體管在其中傳導(dao)的輸入信號部分(fen)(fen)，以(yi)及確定開關晶體管消(xiao)耗和(he)以(yi)廢熱形式(shi)消(xiao)散(san)的功率的效率和(he)數量。下圖(tu)為常(chang)見放(fang)(fang)大器分(fen)(fen)類(lei)(lei)類(lei)(lei)型各類(lei)(lei)參數比較。
功率放大器類
設計不佳的(de)放(fang)大器(qi)，尤其是“A”類放(fang)大器(qi)，可能還需要更(geng)大的(de)功率晶(jing)體管、更(geng)昂貴的(de)散熱器(qi)、冷卻風扇，甚(shen)至需要增加電(dian)源尺寸來提供放(fang)大器(qi)所需的(de)額外浪費功率。功率從晶(jing)體管、電(dian)阻器(qi)或任何(he)其他組件(jian)轉換(huan)為熱量，使任何(he)電(dian)子電(dian)路效(xiao)率低下，并導致設備過早(zao)失效(xiao)。
那么，與效率超過70%的(de)(de)B類放(fang)(fang)大(da)器相比，如果(guo)A類放(fang)(fang)大(da)器的(de)(de)效率低(di)于40%，為什么還(huan)要使用它呢？基本上，A類放(fang)(fang)大(da)器提供了更線性(xing)的(de)(de)輸出，這意味著它具(ju)有更大(da)頻(pin)率響應上的(de)(de)線性(xing)度(du)，即使它確實(shi)消耗大(da)量直流功率。
這(zhe)里(li)已經(jing)介紹(shao)了不同類型的放大器電路(lu)，每種都有(you)自己的優(you)點和缺點，大家在(zai)設(she)計電路(lu)時(shi)，可以綜合考慮。
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