SISTEMAS ELECTRÓNICOS Grados en Ingeniería de Sistemas …

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SISTEMAS ELECTRÓNICOS Grados en Ingeniería de Sistemas de

Comunicaciones, Sistemas Audiovisuales, Telemática y Tecnologías de Telecomunicación

Ejercicios propuestos Tema 4: “Osciladores Sinusoidales”

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EJERCICIO 1 El circuito de la figura representa un oscilador sinusoidal:

Datos : Amplificadores operacionales ideales R = 100kΩ R2 = 270kΩ C = 1.2nF SE PIDE:

a) Indique de qué tipo de oscilador se trata e identifique las redes Aosc y βosc del mismo.

b) Obtenga el circuito equivalente genérico (resistencia de entrada, ganancia de tensión y resistencia de salida) en pequeña señal a frecuencias medias de la red Aosc.

c) Obtenga la expresión de la ganancia de lazo (Aosc·βosc(jω)) del oscilador, justificando las aproximaciones que realice en los cálculos.

d) Deduzca la frecuencia de oscilación, fosc. e) Deduzca las condiciones de arranque y mantenimiento. ¿Arrancaría el

oscilador con los valores de los componentes dados? Razone su respuesta. f) En caso de que el sistema no arranque para los valores de los componentes

dados, ¿qué componente del circuito modificaría y que valor le daría para que el oscilador arranque? Razone su respuesta.

SOLUCIÓN

a) Indique de qué tipo de oscilador se trata e iden tifique las redes A osc y ββββosc del mismo.

Se trata de un oscilador sinusoidal RC en puente de Wien.

R

+

-

R2

R

+

-

R

R

C

C

R

+

-

+

-

R2

R

+

-

R

R

+

-

+

-

R

R

C

C


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3

b) Obtenga el circuito equivalente genérico (resist encia de entrada, ganancia de tensión y resistencia de salida) en pequeña seña l a frecuencias medias de la red A osc .

Analizando primero la red Aosc (amplificador), para obtener su circuito equivalente a frecuencias medias (ganancia a frecuencias medias, Av, resistencia de entrada, RiA y resistencia de salida RoA se tiene, teniendo en cuenta que los amplificadores operacionales son ideales:

V

V

R

R

R

R

R

R

V

VAv

oA

iA 7.2· 22 ==

−

−==

0

100

=Ω==

oA

iA

R

kRR

c) Obtenga la expresión de la ganancia de lazo (A osc ·ββββosc (jωωωω)) del oscilador,

justificando las aproximaciones que realice en los cálculos. Abriendo el lazo, para calcular ( )jwA oscosc β· para aplicar el criterio de Barkhausen, se

tiene:

Analizando el circuito:

( ) ( ) RCjCR

RCjAvAv

RCj

RR

Cj

RCj

R

AvRZRZ

RZ

V

V

V

V

V

VjA

CC

C

iA

oA

i

o

iA

ooscosc ωω

ω

ωω

ωωββ

ββ

31

.·

1

11

·||

||··

222 +−=

+++

+=++

===

d) Deduzca la frecuencia de oscilación, f osc .

R

+

-

R2

R

+

-

R

R

C

C

Aosc

ββββoscR

+

-

R2

R

+

-

R

R

C

C

R

+

-

+

-

R2

R

+

-

R

R

+

-

+

-

R

R

C

C

Aosc

ββββosc

+

-

R2

R

+

-

R

RViA

VoA

RiA

RoA

+

-

+

-

R2

R

+

-

R

R

+

-

+

-

R

RViA

VoA

RiA

RoA

RC

C

+

Av.ViARiAViA

+

-

RiA=RV

oA=Viβ

+

-

Voβ

+

-

RC

C

+

Av.ViARiAViA

+

-

RiA=RV

oA=Viβ

+

-

Voβ

+

-


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4

Aplicando el criterio de Barkhausen, para la fase, obtenemos la frecuencia de oscilación:

( ) ( )( ) kHz3.1RC2

1f

RC

10CR10j·AImk20j·A oscosc

222oscoscoscoscosc ≅=⇒=⇒=−⇒=⇒+=∠

πωωωβπωβ

e) Deduzca las condiciones de arranque y mantenimie nto. ¿Arrancaría el oscilador con los valores de los componentes dados? . Razone su respuesta

Condición de mantenimiento: ( ) 313

1· =⇒=⇒= AvAv

jA oscωβ

Condición de arranque: ( ) 3313

1· 2 >⇒>⇒>⇒>R

RAv

AvjA oscωβ

Con los valores de los componentes dados: 37.22 <=R

R por lo que el oscilador no

arrancaría.

f) En caso de que el sistema no arranque para los v alores de los componentes dados, ¿qué componente del circuito mod ificaría y que valor le daría para que el oscilador arranque?. Raz one su respuesta.

Para que el oscilador arranque hay que aumentar la ganancia a frecuencias medias del amplificador, sin modificar el resto de componentes del circuito, por lo que hay que aumentar R2. Cambiando R2, por ejemplo, por una resistencia de 310kΩ.


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5

EJERCICIO 2 La figura representa el esquema de un oscilador sinusoidal,

DATOS: Q1: VBEactiva =0.6V VCEsat=0.2V ββββ=160 VT=25mV ro→→→→∞∞∞∞ Cµµµµ = 0 Cππππ = 0

SE PIDE:

a) Indique de qué tipo de oscilador se trata e identifique las redes A* y β* del mismo.

b) Obtenga el punto de funcionamiento en continua de Q1. c) Obtenga el circuito equivalente genérico (resistencia de entrada, ganancia de

tensión y resistencia de salida) en pequeña señal a frecuencias medias de la red A*. (Si no ha resuelto el apartado anterior considere ICQ1=1mA)

d) Obtenga la expresión de la ganancia de lazo (A*·β*(jω)) del oscilador, justificando las aproximaciones que realice en los cálculos.

e) Deduzca el valor de la pulsación angular de oscilación (ωosc) del circuito. f) ¿Arrancaría el oscilador con los valores de los componentes dados en la figura

3? Justifique su respuesta. SOLUCIÓN:

a) Indique de que tipo de oscilador se trata e iden tifique las redes A* y ββββ* del mismo.

Se trata de un oscilador LC de tipo Colpitts. La red A* la forman Q1, R1, R2, RE, RC y CE y la red β* la forman C1, L2, C3 y CC.

b) Obtenga el punto de funcionamiento en continua d e Q1. El circuito equivalente del amplificador en continua es:

R1=20k

R2=20k

RC=3k

RE=5.4k

Q1

+12V

+12V

C3=100n

C1=100n

L2=2m

CE→∞

CC→∞

R1=20k

R2=20k

RC=3k

RE=5.4k

Q1

+12V

+12V

C3=100n

C1=100n

L2=2m

CE→∞

CC→∞


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6

Resolviendo el circuito, despreciando la corriente de base y suponiendo que Q1 está en activa se tiene:

2,1221

25.614.56·12

RRC

BE

EECBEactivaBEB IA

IImA

R

VIIVVVVVR

RR

VV <<==⇒==≅⇒=−=⇒=

+= µ

β y 16.3··12 QVVIRIRVV CEsatCCEECE ⇒>=−−= está en ACTIVA.

c) Obtenga el circuito equivalente genérico (resist encia de entrada, ganancia de tensión y resistencia de salida) en pequeña seña l a frecuencias medias de la red A*. (Si no ha resuelto el apartado anteri or considere I CQ1=1mA)

El circuito equivalente del amplificador en pequeña señal a frecuencias medias es:

donde V

mA

V

Igk

I

Vr

T

Cm

B

T 404 ==Ω==π

Analizando el circuito se tiene:

a. Ganancia del amplificador a frecuencias medias:V

VRgA CmV 120−=−=

b. Resistencia de entrada del amplificador a frecuencias medias:Ω≅= krRRRiA 9.2|||| 21 π

c. Resistencia de salida del amplificador a frecuencias medias:Ω== kRR CoA 3

d) Obtenga la expresión de la ganancia de lazo (A*· ββββ*(jωωωω)) del oscilador, justificando las aproximaciones que realice en los cálculos.

R1=20k

R2=20k

RC=3k

RE=5.4k

Q1

+12V

+12V

R1=20k

R2=20k

RC=3k

RE=5.4k

Q1

+12V

+12V

RCR1||R2 rπ

gm·vπvπ

+

-

+

-

voA

+

-

viA

RiARoA

RCR1||R2 rπ

gm·vπvπ

+

-

+

-

voA

+

-

viA

RiARoA


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7

Dibujando el circuito equivalente en pequeña señal a frecuencias medias del oscilador, abriendo el lazo en el punto que conecta la salida de la red β* con la entrada de la red A*, se tiene:

Analizando el circuito, suponiendo que iAoscC RZ <<

ω3 (suposición que se comprobará

posteriormente) se tiene:

( ) ( )3C2L1C3C2L1CoA

3C1C

XXXXXXjR

XXAv)jw(**·A

+•−++••=β

e) Deduzca el valor de la pulsación angular de osci lación ( ωωωωosc ) del circuito. A la frecuencia de oscilación

0XXX0)j(**·AIm(0)j(**·A 3C2L1Coscosc =++⇒=⇒=∠ ωβωβ Por lo que nos queda:

s

krad

CC

CCL

CL

C oscosc

oscosc

100·

·

10

11

31

312

32

1

≅

+

=⇒=−+− ωω

ωω

Se comprueba ahora la suposición inicial realizada en el análisis:

Ω=<<Ω= kRZ iAoscC 9.21003 ω

f) ¿Arrancaría el oscilador con los valores de los componentes dados en la figura 3? Justifique su respuesta.

La condición de arranque del oscilador 1)(**· >oscjA ωβ queda en este caso

1

3

C

CAV > que si se cumple, por lo que el oscilador si arrancaría con los valores de los

componentes dados.

C3C1

L2

RiA

RoA

ViA AvViA

+

-

+

+

-

VoA=Viβ

Ziβ

RiA

+

-

VoβC3C1

L2

RiA

RoA

ViA AvViA

+

-

+

+

-

VoA=Viβ

Ziβ

RiA

+

-

Voβ


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EJERCICIO 3 El circuito de la figura es un oscilador que utiliza un cristal de cuarzo de 5 MHz:

Datos: Amplificador operacional ideal, R1 = 10kΩ, R2 = 20kΩ, RP = 100kΩ, R3 = 100 Ω, C1 = 100pF, C2 = 22pF SE PIDE:

a) Deduzca las expresiones de la frecuencia de oscilación y de las condiciones de arranque y mantenimiento del oscilador. Justifique todas las aproximaciones que realice en los cálculos.

b) ¿Cual será la frecuencia de oscilación?. c) Determine el rango de valores de la posición del cursor (α) del potenciómetro

RP para los que el oscilador arrancaría. SOLUCIÓN EJERCICIO 5:

a) Deduzca las expresiones de la frecuencia de osci lación y de las condiciones de arranque y mantenimiento del oscilad or. Justifique todas las aproximaciones que realice en los cálculos.

Abriendo el lazo de realimentación se tiene el siguiente circuito:

El circuito oscilará a la frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo (5MHz), por lo que:

)3.318()10(511 Ω>>ΩMHzCZkR

Analizando el circuito, por tanto, se tiene que la ganancia de lazo es:

( ) ( )12123

12·)(CSCCCS

CCv ZZZZZZR

ZZAjT

+•+++••

=ω

+

-

R1R2

R3

ααααRp

C2C1

+

-

R1R2

R3

ααααRp

C2C1

C2

LSCs

R1

R3

-

+

Vi

Av·ViA

+

-

ViA

A

++

-

VoA=Viββββ

Ziββββ

R1+

-

Voββββ

Cristal de cuarzo

C1C2

LSCs

R1

R3

-

+

Vi

Av·ViA

+

-

ViA

A

++

-

VoA=Viββββ

Ziββββ

R1+

-

Voββββ

Cristal de cuarzo

C1


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donde Av es la ganancia del amplificador a frecuencias medias1

2 ·

R

RRA P

v

α+−=

y ZS es la impedancia equivalente del cristal de cuarzo. Sustituyendo las expresiones de las impedancias en función de las reactancias se tiene:

( ) ( )12123

12

··)(

CSCCCS

CCv XXXXXXRj

XXAjT

+•−++••−

=ω

Aplicando el criterio de Barkhausen se tiene que el circuito oscilará a ωosc t.q.

0)(Im(2º0)( =⇒+=∠ oscosc jTkjT ωπω , que viene dada por:

021 =++ CCS XXX

Teniendo en cuenta que la capacidad serie del cristal (CS) es 21,CCCS << se tiene:

MHzCL SS

sosc 5··21 πωω ===

La condición de arranque queda: 2

1

1

21)(C

CA

X

XAjT v

C

Cvosc >⇒>⇒>ω

Y la condición de mantenimiento: 2

1

1

21)(C

CA

X

XAjT v

C

Cvosc =⇒=⇒=ω

b) ¿Cual será la frecuencia de oscilación?.

El circuito oscilará a la frecuencia de resonancia serie del cristal MHzfosc 5=⇒

c) Determine el rango de valores de la posición del cursor ( αααα) del

potenciómetro R P para los que el oscilador arrancaría. Para que el oscilador arranque:

⇒>⇒>⇒>⇒> 5.41)(2

1

1

2vv

C

Cvosc A

C

CA

X

XAjT ω

25.0·5.4

5.4· 21

1

2 >⇒−

>⇒>+ ααα

P

P

R

RR

R

RR

Por lo tanto, el oscilador arrancará para: 125.0 ≤< α


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EJERCICIO 4 Los osciladores que se muestran en las Figuras P1.1 y P1.2 presentan como principal característica el generar dos o tres señales sincronizadas, que guardan un desfase constante entre ellas (v1 y v2 para la Figura 2.1 y vA, vB y vC para la Figura P1.2).

Figura P 1.1

Figura P 1.2

Se pide: 1. Para los circuitos de las Figuras P1.1 y P1.2 obtener la expresión de la

ganancia de lazo.

2. Para los circuitos de las Figuras P1.1 y P1.2 obtener la expresión de la frecuencia de oscilación en función de las resistencias y condensadores que los componen.

3. Calcular R y C para que la frecuencia de oscilación del circuito de la Figura P1.1 sea 100 kHz. Justificar el desfase que existe entre las señales v1 y v2.

4. Para el circuito de la Figura P1.2, calcular R2 y C para que la frecuencia de las señales generadas sea 50Hz. Calcular el valor de R1 para que se pueda iniciar la oscilación. Determinar primero la expresión teórica y después proponer un valor numérico razonable.

5. Demostrar que el desfase entre las señales generadas, vA, vB, vc, es 120º. Dibuje la tensión de las señales vA, vB, vc.

6. Justificar razonadamente para qué sirven los diodos Dz1 y Dz2 así como los diodos D1 y D2. ¿Qué diferencia existe entre el funcionamiento de ambas parejas?.

R

R

R

C

C

C

Dz1Dz2

V1

V2

R2

R1

C

R2

R1

C

R2

R1

C

vA vB vC

D2

D1


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EJERCICIO 5 En el circuito de la Figura 1 se muestra el esquema de un oscilador a cristal asaí como el circuito equivalente del cristal utilizado (Figura 2) y el comportamiento de su reactancia en función de la frecuencia.

DATOS:

Transistor: Vcc = 5V; ICQ = 0,75 mA, VBE = 0,7 V; βo = 125; VT = 25mV XTAL: Cs = 0,007 pF; Cp = 5 pF; Ls = 100,55 mH; Rs = 40 Ω fs = 5,999 MHz; fp = 6,003 MHz

Se pide: 1. Dibujar el circuito en pequeña señal para el oscilador, indicando claramente

que elementos constituyen el amplificador y la red de realimentación, β. Indicar además que puntos son la entrada y salida del amplificador y de la red de realimentación.

2. Para el rango de frecuencias de oscilación compare la impedancia del condensador C3 con el de la resistencia de carga RL.

3. Para el rango de frecuencias de oscilación justifique si el cristal está cargado con la impedancia de entrada del amplificador.

4. A partir de los cálculos realizados en los apartados 2 y 3, dibuje de nuevo el esquema en pequeña señal del oscilador, separando las redes A y β. Indique el punto por donde se debe abrir el lazo para estudiar la ganancia de lazo y obtenga la expresión de la ganancia de lazo A.β en función de las impedabcias de los condensadores y del cristal.

5. Una vez obtenida la ganancia de lazo, calcule el valor de la frecuencia de oscilación, fo. NOTA: Se recomienda comprobar qué comportamiento (inductivo o capacitivo) deberá presentar el cristal y a que frecuencias se produce dicho comportamiento.

6. Calcular el valor de C1 para que se garantice el arranque del oscilador. 7. Sería posible utilizar un amplificador operacional (Ao = 100 dB y polo

dominante en 15 Hz) para implementar este oscilador utilizándolo en vez del transistor bipolar.

X1

XTAL

C2

33 pF

C1

R3

180 ΩΩΩΩ

R1

680 kΩΩΩΩRc

270 ΩΩΩΩ

RL

120 ΩΩΩΩ

C3

22 nF

+ Vcc

A

B

A

B

Cs

Ls

Rs

Cp

XXTAL

ffS fpXXTAL < 0

Capacitivo

XXTAL > 0

Inductivo

XXTAL < 0

Capacitivo

Figura 1 Figura 2 Figura 3


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EJERCICIO 6 El amplificador operacional del circuito de la figura puede considerarse ideal.

Se pide:

1. Deduzca la impedancia de entrada (zi), la ganancia en tensión (Vo/Vi) y la impedancia de salida (zo) del amplificador.

Se utiliza este amplificador para construir un oscilador por desplazamiento de fase paso alto:

2. Represente el esquemático del oscilador, el amplificador como un bloque funcional y la red de realimentación dependiente de la frecuencia con los componentes necesarios, utilizando resistencias de 10 kΩ.

3. Deducir las condiciones de oscilación y de arranque/mantenimiento del oscilador.

4. Valores de todos los componentes necesarios para que el circuito oscile a una frecuencia de 1kHz.

Nota: Se adjunta la función de transferencia de una red en escalera, por si le resulta de utilidad en los cálculos del problema:

1·6·5

1

2

1

2

2

1

3

2

11

2

+

+

+

=

Z

Z

Z

Z

Z

Zv

v

SOLUCIÓN:

1. Deduzca la impedancia de entrada (zi), la gananc ia en tensión (Vo/Vi) y la impedancia de salida (zo) del amplificador.

Como el amplificador operacional es ideal las corrientes por sus terminales de entrada serán nulas y, al haber realimentación negativa, puede aplicarse el principio de cortocircuito virtual. Con todo ello nos queda.

• Impedancia de entrada, zi:

Rix

vxzi ==

• Impedancia de salida, zo

v1 v2

Z1 Z1 Z1

Z2 Z2 Z2

+-

RF

R

vx

ix

zi

++-

RF

R

vx

ix

zi

+-

RF

R

vx

ix

zi

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0ix

0

ix

vxzo ===

• Ganancia de tensión (Vo/Vi)

R

RF

Vi

VoAv

RF

Vo

R

Viii RFR −==⇒−=⇒=

Se utiliza este amplificador para construir un osci lador por desplazamiento de fase:

2. Represente el esquemático del oscilador, el ampl ificador como un bloque funcional y la red de realimentación dependiente de la frecuencia con los componentes necesarios, utilizando resistencias de 10 kΩΩΩΩ.

Con zi = R = 10k ΩΩΩΩ.

3. Deducir las condiciones de oscilación y de arran que/mantenimiento del

oscilador. Analizando la red β (con el efecto de carga de la red A (zi=R)) se tiene:

( )( ) ( )( )

( )( )( ) 3CR2R

3R2CR1R

21RCi

3R3C32R

32R2C21R

21RCi

I·ZZ2I·Z0

I·ZI·ZZ2I·Z0

I·ZRI·ZZV

I·ZI·ZII·Z

II·ZI·ZII·Z

I·ZRI·ZZV

++−=−++−=

−+=⇔

+=−−+=−

−+= ββ

Resolviendo por Cramer, nos queda:

+-

RF

R

vx

ix

zo

++-

RF

R

vx

ix

zo

+

+-

RF

R

ViVo+

+-

RF

R

ViVo+

+-

zi

-

+

viAv·vi

C C C

R R

Red β

Red A

+-

zi

-

+

viAv·vi

C C C

R R

Red β

Red A

C C C

R R R

+

-

Voβ

+

-

Viβ

I1 I

2I3

C C C

R R R

+

-

Voβ

+

-

Viβ

I1 I

2I3


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( )( ) ( ) ( ) 2RCR

2RRC

2CRRC

i2

R3

Z·ZZ2Z·ZZZZ2·ZZ

V·ZI

+−+−++= β

Por lo tanto,

( )( ) ( ) ( ) 2RCR

2RRC

2CRRC

3R

i

o3Ro

Z·ZZ2Z·ZZZZ2·ZZ

Z

V

VI·ZV

+−+−++=⇒=

β

ββ

Sustituyendo ZR = R y ZC = 1/jωC y operando nos queda

156)(

222333

333

++−−−=

RCjCRCRj

CRjj

V

V

i

o

ωωωωω

β

β

Para obtener la frecuencia de oscilación, aplicamos el criterio de Barkausen:

0))(Im(2º0)(·

1)(·1)(·

=⇔+=∠=

⇒=oo

oo

jkjA

jAjA

ωβπωβωβ

ωβ

En este caso RC

CRj ooo6

10610))(Im( 222 =⇒=−⇒= ωωωβ

Para obtener las condiciones de arranque y mantenimiento, calculamos

296

15

·6

1

)(· R

RF

R

RF

jA o =−

=ωβ

Condición de arranque: RRFjA o 291)(· >⇒>ωβ

Condición de mantenimiento: RRFjA o 291)(· =⇒=ωβ

4. Valores de todos los componentes necesarios para que el circuito oscile a una

frecuencia de 1 kHz. Para obtener la frecuencia de oscilación pedida:

nFC

kRRC

o 5.6102·10·6

1

10

2·106

1

34

3

≅=⇒

Ω=

==

ππω

Para que el oscilador arranque:

Ω>⇒

Ω=>⇒>

kRFkR

RRFjA o 29010

291)(· ωβ. Por ejemplo RF=300kΩ


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EJERCICIO 7 Se pretende determinar si el circuito de la Figura 1 oscila y en qué condiciones.

Figura 1

Para ello, se pide:

1. Calcular la expresión de la ganancia de lazo A.β(jω). 2. Determinar la frecuencia de oscilación en función de los valores de los

componentes del circuito. 3. Calcular la condición de arranque y mantenimiento de la oscilación en función

de los componentes del circuito. 4. Considerando C1 = C2 = 1 nF, y que fo = 1 MHz, ¿cuál sería el valor mínimo de

la impedancia de entrada del amplificador, para que los cálculos anteriores resultasen correctos?

5. Justificar razonadamente cuál de los tres siguientes circuitos (Figura 2, 3 o 4) puede ser utilizado como amplificador, conectándose sus terminales vi y vo a las correspondientes etiquetas del circuito de la Figura 1.

Figura 2 Figura 3 Figura 4

L

A

R

C1

C2vovi

+

-

R2

R1

vovi

+

-

R2

R1vo

vi

vovi

+VCC


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SISTEMAS ELECTRÓNICOS Grados en Ingeniería de Sistemas …

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