逆向常用555定时器芯片（CMOS工艺）

背景知识：一定的电子学基础

这篇文章介绍LMC555定时器芯片是如何工作的，从芯片上微小的晶体管和电阻到构成其的功能单元如比较器和镜像电流源。广泛使用的555时基集成电路被认为是世界上卖地最好的集成电路，自从1970年模拟电路大师Hans Camenzind

设计出该款芯片，自今已经售出数十亿片。LMC555是一款低功率CMOS工艺555芯片。不像传统的双极型三极管，CMOS芯片是由低功耗MOS管构成的。通过仔细地研究图片模型，我们将理解它的工作原理。

集成电路的结构

下面的图片是LMC555的硅基模型在显微镜下观察得到的，主要功能单元均已标记（来自 Zeptobars的 照片）。模型非常小，仅仅1mm见方。其中黑色的大圈是芯片与外部引脚的连接部分。一层薄金属层将芯片的各个部分连接在一起。在图中，金属就是那些清晰可见的白色线条和区域。芯片上不同的部分被标记不一样的颜色。芯片的不同部件是通过向硅基中掺入不同的杂质来改变其特性而制成得。N型半导体具有过量的电子（使其为负），而P型半导体缺乏电子（使其为正）。硅基顶部不同颜色标记的是多晶硅线路。硅片和多晶硅是芯片的主体部分，其上是各种由金属层连在一起的晶体管和电阻。

LMC555 各个功能块

555 定时器的简要说明

555芯片是极其多用途的芯片，有着多达数百的不同应用包括时基计时或是开关以及电压控制的振荡器和调节器。我将通过最简单的电路振荡器——以一个固定的频率循环往复的电路，来解释芯片的功能。

用下面的图来说明555芯片用作振荡器的内部运作。外部连接的电容将不断地充电、放电从而产生振荡。在芯片内部，三个电阻构成分压器产生相对供电电压的1/3和2/3的参考电压。外电容将在该范围内充、放电，进而产生振荡，如左边的图片所示。更为详细的是：电容器将通过外部电阻器缓慢充电（A段），直到其电压达到2/3参考值，在B点，阈值（上）比较器切换触发器关闭输出，这将打开输出晶体管，致使放电晶体管导通使电容缓慢放电。当电容电压达到1/3参考电压（D点）时，触发下比较器连通，同时使触发器和输出处于通路，如此循环往复。电阻和电容的值决定计时（即周期），从微秒到数小时。

555 振荡器工作原理

总的来说，555时基电路的关键部件是检测电压上下界的比较器，设置该界限的分压器，记录充放电状态的触发器以及放电晶体管。555时基电路还有2个上面尚未提及的针脚（置位和电压控制端），它们是用于其他更复杂电路的。

IC 内的晶体管

像大多数集成电路一样，CMOS 555定时器芯片由两种类型的晶体管PMOS和NMOS构成。相比之下，经典的555定时器使用了旧技术的双极型晶体管（NPN管和PNP管）。CMOS使用地非常广泛，因为它的功率远低于双极型晶体管。CMOS晶体管可以非常密集地集成在芯片中，不会过热，这就是为什么CMOS自20世纪80年代以来就统治了微处理器市场。尽管555不需要很多晶体管，但是低功耗仍然是一个优势。

下图显示了芯片中的NMOS晶体管，其截面如下。由于晶体管是由重叠层构成的，因此模型图有点难以理解，但横截面应该有助于说明。硅片的不同颜色表示已被掺杂以形成N和P区的区域。绿色矩形--硅上方的一层是多晶硅。白色的矩形是顶部的金属层。电极是层之间的连接部分。

LMC5555 CMOS 定时芯片中的NMOS 晶体管的结构

MOS晶体管可以被认为是基于 栅极 上的电压来连接或断开 源极 和 漏极 的 开关 。晶体管由已经掺杂为负极（N）的两个矩形的硅带组成，嵌入在下面的P型硅基中。 栅极 由 漏极 与 源极 之间的部分和其表面的导电多晶硅层组成。 栅极 通过非常薄的绝缘氧化物层与下面的硅分离。如果在 栅极 加上电压，则会产生电场，该电场会改变 栅极 之下的硅半导体的特质，从而形成电流导通层。照片还显示出金属层连接到 源极 ，以及“电极”，其穿过绝缘氧化物将硅层连接到金属层。

第二种晶体管是PMOS，如下所示。PMOS晶体管在许多方面与NMOS相反因此它们被称为 互补 MOS管，就是CMOS 中的Ç （互补） 。PMOS管由嵌入在N型硅基中的P掺杂硅的 源极 和 漏极 构成。当晶体管 栅极 上为 低 电压时（与NMOS 高 电压相反）导通，导致电流从 源极 流到 漏极 。连接 源极 、 栅极 和 漏极 的金属层下面清晰可见，其上有通到底层的圆形通孔。（请注意，右侧的图不是横截面，而是简化的“俯视图”。）在芯片模型图片中，NMOS晶体管为蓝色， 栅极 为绿色，PMOS晶体管为橙色， 栅极 为粉色。

LMC555 CMOS 定时芯片中的NMOS 晶体管的结构，右侧为简化模型

555中的输出晶体管远远大于其他晶体管，并且具有不同的结构以产生高电流输出。下面的照片显示了一个输出晶体管。注意到 源极 （外侧）和 漏极 （中心）之间 栅极 的Z字形结构。还可以看到， 漏极 的金属层在右边是窄的，并且随着它离开晶体管而变宽，以便承载逐渐增加的电流。

LMC555 CMOS 定时芯片中的大型NMOS 输出晶体管

各种符号用于在原理图中表示MOS晶体管下图显示了其中的一些。在本文中，我使用的是突出显示的那一组。

用于MOS 晶体管的各种符号

如何在硅中实现电阻

电阻是模拟电路的关键部件。不过，IC中的电阻很大，且不准确在两片相同的芯片中，对应的电阻的阻值可能相差50％。因此，模拟IC中，考虑的电阻的相对比例而不是绝对值。这样设计，即使该阻值随制造条件而变化，这些比率也几乎保持恒定。

组成CMOS 定时器中分压器的电阻

上图显示了在芯片中组成分压器的电阻。有六个50kΩ电阻串联连接形成三个100kΩ电阻。电阻是浅白色的垂直矩形。在每个电阻器的末端，通孔和P +硅阱（粉红色方形）将电阻器连接到金属层，进而将它们连接在一起。电阻本身可能是P掺杂硅。

为了减小电流，CMOS芯片使用100kΩ电阻，远大于双极型555定时器中的5kΩ电阻。据说，555芯片是以这三个5K电阻命名的，但其设计师却说555只是500芯片系列中的任意数字。

IC 组件：镜像电流源

在模拟IC中有一些非常常见的子电路，但是咋一看似乎很神秘。镜像电流源便是其中之一。如果你看过模拟IC框图，你可能已经见到过下面的表示镜像电流源的符号了，并想知道镜像电流源是什么，以及为什么要使用它们。

镜像电流源符号

镜像电流源的想法是如果有一个已知的电流，然后可以使用简单的晶体管电路“克隆”多个电流副本。镜像电流源的常见用途是代替电阻。如前所述，IC内不容易制造大电阻，且不准确。使用镜像电流源还可以尽可能节省空间。此外，镜像电流源产生的电流几乎完全一样，而不像两个电阻产生的电流存在较大差异。

下面的电路将会解释如何用三个相同的晶体管实现镜像电流源。参考电流流经右侧的晶体管。（在这种情况下，电流由电阻设定）由于所有的晶体管都具有相同的发射极电压和基极电压，所以它们将产生相同的电流，因此左侧的电流与右侧的参考电流相匹配。为了获得更大的灵活性，可以修改镜像电流源中晶体管的相对尺寸，使镜像电流大于或小于参考电流。CMOS 555芯片使用各种晶体管尺寸来控制电路中的电流。

由PMOS 晶体管组成的镜像电流源，左侧两个晶体管镜像右侧由电阻控制

的电流

下图显的是LMC555芯片中的一个镜像电流源，由两个晶体管组成。每个晶体管实际上是并联的两个晶体管，这是芯片中的常见技巧，所以物理上来看有两对晶体管。要看到晶体管有点困难，因为金属层覆盖其中的一部分，但希望这个描述是有意义的。从顶部开始，第一个晶体管所在的宽矩形构成了 源极 ， 栅极 1和 漏极 1。注意将金属层连接到 源极 的通孔。下一个晶体管共享 漏极 1，接下来是第二个 栅极 1和 源极 。由于这两个晶体管共享 漏极 ，并且 源极 和 栅极 相互连接，所以两个晶体管有效地形成一个较大的晶体管。同样地，接下来的是并联de两个晶体管： 源极 ， 栅极 2， 漏极 2，。

LMC555 芯片中的两对PMOS 晶体管形成镜像电流源

右侧的原理图显示了如何将晶体管连接在一起作为镜像电流源。如果仔细看左侧照片，可以看到单个多晶硅条带蛇形地来回形成所有的 栅极 ，所以 栅极 是连接在一起的。在右侧，上部金属条将 漏极 1和 栅极 连接到电路的其余部分。下部金属条连接 漏极 2。

IC 组件：差分放大电路

要了解的第二个重要电路是差分放大电路，模拟IC中最常用的双晶体管子电路。你可能想知道一个比较器如何比较两个电压，或运算放大器如何做两个电压相减。这些就是差分放大电路的功能。

差分放大电路的简单示意图

以上示意图显示了一个简单的差分放大电路。底部的电流源提供固定负电流I，其在两个输入晶体管之间分开。如果输入电压相等，电流将分成两个相等的支路（I和I）。如果其中一个输入电压比另一个高，相应的晶体管将导通更多的电流，所以一个支路获得更多的电流，另一个支路变得更小。小的输入差异足以将大部分电流引导到“获胜”支路，从而使比较器打开或关闭。芯片在两个支路上使用镜像电流源而不是电阻，其充当有源负载并增加放大倍数。

反相器和触发器

虽然555是模拟电路，但它包含一个数字触发器来记住它的状态。触发器由反相器（简单的逻辑电路将1变为0，反之亦然）构成。555使用标准CMOS反相器，如下图所示。

CMOS 反相器的结构：顶部的PMOS 晶体管和底部的NMOS 晶体管

反相器由两个晶体管构成。如果输入为0（即低电压），则顶部的PMOS晶体管导通，将正电源连接到输出端，产生1输出；如果输入为1（高电压），则底部的NMOS晶体管接通，连接地端，产生0输出。CMOS的神奇之处是电路几乎没有能量消耗。电流不通过 栅极 （由于绝缘氧化物层），仅当输出改变状态时，唯一的功率消耗是微小的脉冲，以对导线形成的电容进行充电或放电。

下图显示的是触发器。两个反相器连接在一个回路中以形成锁存器。如果顶部反相器输出1，则底部输出0，形成稳定的循环。如果顶部反相器输出0，则底部输出1，如此形成稳定的循环。

LMC555 CMOS 定时芯片中触发器的电路图

要更改存储在触发器中的值，只需将新值强制写进入锁存器，即可用强力重写现有值。为此，底部的反相器是“弱”的，使用低电流晶体管。这允许置位端或复位端输入使弱反相器过压，并且锁存器将立即翻转到正确的状态。R（复位）和S（置位）输入来自比较器，并通过晶体管将锁存器输入为高或低。复位信号来自输入引脚，并通过二极管将锁存器输入高电平复位反相器的输出电流由镜像电流源控制。复位将S拉低，阻止S端矛盾的输入。

CMOS 555 与传统双极型555 对比

常用的555定时器是在1970年设计的，而CMOS工艺（ICM7555）直到1978年才发布。本文中描述的LMC555在1988年左右出现，而模型是的1996年。

下面的图像将同规模的经典的555定时器（左）与CMOS LMC555（右）进行比较。虽然双极芯片由通过金属层连接的硅构成，但是CMOS芯片具有附加的多晶硅互连层，这使得芯片看起来上更加复杂。CMOS芯片较小，并且在底部和右上方有很多未被使用的空间，因此可以做得更小。CMOS晶体管比双极晶体管复杂得多。除了输出晶体管，双极型晶体管都是简单的独立单元。相比之下，大多数CMOS晶体管是由两个或更多个并联的晶体管构成的。经典555使用比CMOS 555更多的电阻，分别为16、4个。

模型照片：同规模的555 定时器（左）和CMOS 555 定时器（右）

可以从照片中看到CMOS芯片中的功能块较小。常规555中的最小线为10-15μm，而这在CMOS芯片中为6μm。更高级的芯片在1996年采用350nm工艺（约17倍），因此LMC555无处不在CMOS技术的尖端。

这些芯片相比较，反映出CMOS的功耗优势。标准555定时器通常使用3 mA电流，而此CMOS工艺的仅使用100μA（其他类型的低于5μA）。555的输入可以达到0.5μA，而CMOS版本的输入使用非常低的10pA，相差四个数量级。较小的输入“穿透”电流允许CMOS更长的延迟。

结论

起初，芯片的照片看起来太过复杂。但仔细看看LMC555 CMOS定时器芯片的模型可以看出构成电路的组件。可以把PMOS和NMOS分别拿出来管，了解它们的原理以及如何组合到电路中，并了解整个芯片的工作原理。由于CMOS芯片具有经典双极555芯片中不存在的多晶硅层，因此需要更多的努力来了解CMOS芯片。但从根本上说，两个芯片都使用类似的模拟功能块：镜像电流源和差分放大电路。如果你发现这个CMOS工艺的555芯片看起来很有趣，那么你还应该看看我的经典555芯片的 拆卸 。感谢Zeptobars的CMOS芯片的模型照片。

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NE555双极型时基电路（555的第一代）是1972年美国Signetics公司研制出的。设计原意是用来取代体积大，定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种其应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域。1974年，Signetics公司又在同一基片上将两个双极型555单元集成在一起，取名为NF556。1978年，Intelsil研制成功CMOS型时基电路ICM555、1CM556，后来又推出将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路556。由于采用CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导d、卫星、航天等高科技领域。于是，全世界各大半导体公司也竞相仿制、生产，直到今日。不过，所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555。而且，它们的功能和外部引脚排列完全相同。555组成单稳态触发器可以用作触摸开关，电路如下，其中M为触摸金属片或者导线，无触发脉冲输入时，555的输出V0为“0”，发光二极管D不亮。当用手触摸金属片M时。相当于端口2输入一个负脉冲，555的内部比较器A2翻转，使输出V0变为高电平“1”，发光二极管亮，直至电容C上的电压充到Vc=2Vcc/3为止。二极管亮的时间Tp=1.1RC=1.1s。下图中电路可用于触摸报警，触摸报时，触摸控制等，电路输出信号的高低电平与数字逻辑电平兼容。图中，C1为高频滤波电容，以保持2Vcc/3的基准电压稳定，一般取0.01uF， C2用来滤波电源电流跳变引入的高频干扰，一般取0.01uF ~0.1uF. 由555组成的单稳态触发器可以构成分屏系数很大的分频电路，如下图，设输入信号Vi 为一列脉冲串，第一个负脉冲触发2端后，输出V0变为高电平，电容C开始充电，如果RC》》TI ，由于Vc 未达到2Vcc/3， V0将一直保持为高电平，T截止。这段时间内，输入负脉冲不起作用。当Vc 达到2Vcc/3时，输出V0很快变为低电平，下一个负脉冲来到，输出又跳为高电平，电容C开始充电，如此周而复始。

A 脉冲结束时产生的负跳变又触发第二级定时器，产生延时脉冲B，驱动继电器K2 ，B 的延迟时间 t2= ~ 1.1R2xC2

这样，每触发一次开关S，可自动完成继电器K1和K2的启动与复位，因此该电路可以实现时序 *** 作及控制。对555静态功耗的测试电路。 所谓静态功耗，就是指电路无负载时的功耗。在这里，用万用表的直流电压50 V档测出UCC值（按厂家测试条件Ucc=15 V），再用万用表的直流电流10 mA档串入电源与555的⑧脚之间，测得的数值即为静态电流，用静态电流乘以电源电压即为静态功耗。通常，静态电流小于8 mA为合格。脚加一个低于Ucc／3（即1／3&TImes15 V=5 V）的低电位，也可用一只阻值为100 kQ的电阻器将555的②脚与①脚碰一下，这时万用表显示的即为输出电流；然后还用这只电阻器， 将555的⑥脚与⑧脚碰一下，若此时万用表的显示为零，则表明555时基电路可靠截止。进行以上 *** 作时，将万用表的量程开关拨至电流1000 mA档。还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。半导体装置可以使用产生自外部电压的内部电压来 *** 作。

已经逐渐降低外部电压的电压电平以降低半导体装置的功耗。然而，在半导体装置中大于外部电压的内部电压可能是必要的，因此半导体装置可以包括高电压发生电路。

高电压发生电路可以利用增加外部电压以产生所需内部电压的泵浦电路来实现。可以通过一个或多个切换元件将通过泵浦电路产生的内部电压施加给半导体装置中需要该内部电压的元件。

当通过切换元件传输内部电压或高电压时，电压可以下降与切换元件的阈值电压相对应的量，因此需要补充电压降。

可以通过控制切换元件的 *** 作特性来实现外部电压的进一步降低。

他被人称作芯片大王。台湾地域的半导体教父。他是大器晚成的代表。56岁的时分才走向胜利。在70岁的时分娶了本人的秘书。到了如今。光是公司的市值就超越了40,000亿。他就是张忠谋。

1931年。张忠谋出生于浙江。父亲是财政局的局长。母亲家里也是藏书大家。能够说。张忠谋的家庭不论是财富还是文化底蕴十分的雄厚。那也的确过了一段十分富足且闲适的生活。但是当时那个年代正值兵荒马乱。家人为了规避战乱，就带着张忠谋一路流离失所，到了南京，香港等中央。而也正是父母的这次外逃，才让他们一家人免于战事。然后一家人就定居香港。在那里过起了平安而又富足的生活。张忠谋童年的大局部光阴也都是在香港渡过。

1941年。日本侵略香港。家人们继续搬迁到了重庆。张忠谋的教育也没有落下。他在南开中学就读。也正是在当时的社会环境下。张忠谋深入的认识到，只要经过本人的努力才干改动本人的命运。所以他的学习十分刻苦。张忠谋的侥幸在于他有一个十分开通的父亲。，即便在当时那样不稳定的各种迁居生活中，也没有放弃对子女的教育。

1949年。新中国成立，当时的张忠谋只要18岁。他居然真的经过本人的努力考入了美国的哈佛大学。那可是1949年。不可思议张忠谋付出了多么大的努力。而他也正是哈弗1000多名重生中独一的一名中国人。1950年。张忠谋又去了麻省理工，特地攻读机械工程。4年之后就取得了硕士学位。

1955年。张忠谋毕业之后没有继续进修。迎来了人生的另一个转机点，张忠谋刚出校园开端打工，面前就有两份工作供他选择，一个是契合他兴味和专业的福特公司，一个是半导体，最终张忠谋选择进入了本人不熟习的半导体行业，在波士顿的一家半导体部门任职。当时他是那家公司独一的一个华人员工，由于张忠谋在学校的时分读的是机械工程。半导体对他来讲是一个全新的范畴。在进入这个行业之后，张忠谋也是十分刻苦的研究技术。很快就成为了行业里的佼佼者。人到了一定的境地，就不会满足于目前的处境。

三年之后。27岁的张忠谋曾经不满足于在这个平凡的公司里面工作。他需求更高的平台。所以就跳槽到了德州仪器。同样张忠谋照旧是这家公司的第1个中国员工。当时德州仪器并没有无尽的范围。由于是第1个中国员工。张忠谋在德州仪器公司也是风云人物。当时德州仪器还没有如今那么强大。张忠谋到了之后也从一个小员工一步步高升。德州仪器在他在职的这段期间开展壮大。能够说张忠谋是德州仪器的元老级人物。

1964年，张忠谋又继续去斯坦福大学进修，并取得了博士学位，之后又回到了德州仪器公司。

1965年，张忠谋成为了公司的经理，并在1972年升到了副总裁的位置。成为了公司里面的三把手。而此时的德州公司曾经在这一范畴开展成了世界第一。在全球的员工就到达了6万。

1970年。英特尔疾速崛起。为了公司的开展。张忠谋十分有远见的，希望公司注重半导体。但公司当时的总裁。重点放到了那些消费性的电子产品上面。并不认同张忠谋的倡议。很快两个人就呈现了分歧。而张忠谋的性格也是那种不愿意和人妥协。两个人为此还迸发了屡次争持。

1985年。张忠谋辞去了这份高薪工作。来到了台湾。其实台湾的经济部长早在1982年的时分，就约请张忠谋回台湾担任院长。但是由于张忠谋当时在美国还有事情要做，所以并没有容许。而张忠谋在回到台湾之后，就担任起了工业技术研讨院的院长。对台湾的半导体事业做奉献。

台湾当时在半导体设计方面没有优势，在销售方面也没有优势，那么独一的方法就是树立一个制造公司。在当时芯片设计和芯片消费是统一的，合为一体，不能单独消费。且当时很多企业普通主要把资金放在产品的投资上。基本就没有精神去做芯片。张忠谋也正是看到了这一契机。压服了阿斯迈尔这个世界上具有最先进光刻机的机器公司，取得了他们的仪器，开端进军代工行业。

1987年。张忠谋创立了全世界第1家专业半导体代工公司——台积电。公司成立之初，张忠谋就找到了当时的死对头英特尔谈协作，没想到英特尔居然提出了几百个问题，而且这些问题提的还都非常刁钻，张忠谋和同事们们不眠不休，将这200多个问题逐个攻破。顺利拿下了英特尔的业务。在张忠谋的率领下。凭仗着他丰厚的工作经历以及学问储藏。公司很快就成为了半导体范畴的领头羊。当时张忠谋曾经56岁。再怎样讲也不能和年轻的小伙子相比。膂力慢慢缺乏，所以他需求找一个得力的助手。来帮本人管理公司。

2006年。张忠谋将蔡力行选拔为公司里的CEO。本人这个董事长只担任在关键时分出来做决策。而这个蔡立行曾经在公司里工作了20年的时间。也是由厂长开端一步步做起。能够说是张忠谋一手选拔起来的得力干将。

2009年。全球金融风暴降临。世界经济都面临着凋谢。台积电在这样的全球浪潮下，自然也不能幸免。第1季度的业绩就面临着亏损。就在这危在旦夕的时分。张忠谋又重新担任起了公司里的CEO。力挽狂澜，让公司起死回生。这样的行动让全球的半导体行业都感到了震动。

2010年。台积电刚刚渡过了金融危机。停业收入就高达921.9亿台币。成为台湾获利最高的公司之一。2018年6月5日。张忠谋正式退休。到2021年。这家公司的市值就高达4.4万亿钱。张忠谋也以12亿美圆的财富进入了全球亿万富豪榜。同时全球有一半以上的半导体订单都会送到台积电，虽然三星英特尔也在竭力开展芯片制造，可是就目前的实力来讲，还是无法和台积电抗衡。毕竟台积电能够消费出5纳米的芯片。而其他的企业还在停止14纳米的打破。能够让台积电显得十分重要。

在事业上功成名就，但是张忠谋在情感问题上却让人非议。2001年。曾经70岁的张忠谋居然娶了一个比本人小13岁的妻子张淑芬。张淑芬之前不只是张忠谋的秘书，还是张忠谋的一个下属的妻子。这样的阅历不由让外界疑心张忠谋能否有夺妻的嫌疑。关于外界的质疑声。张忠谋也是一笑而过。以至表示本人终身只要两个成就，一是台积电，二是遇到了现任妻子。

有人说张忠谋一个人就能够定义整个半导体产业。是全球最尖端的一个人物。固然在56岁之前不断在为他人打江山。但是照旧能够凭仗着本人的才干，将公司开展成价值超4万亿的行业领头羊。

不论是在56岁开端创业。还是在70岁迎娶小13岁的娇妻。他做的每一步都是那么的果断而又英勇。不由启示我们只需想做成一件事，不论几岁起步都不会太晚。

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