信號(hào)完整性傳輸線引起阻抗突變會(huì)怎樣？

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反射的危害

由于阻抗突變而引起的反射和失真會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)和誤碼。這種由于阻抗變化而引起的反射是信號(hào)失真和信號(hào)質(zhì)量退化的主要根源。

引起信號(hào)電平下降的下沖可能會(huì)超過(guò)噪聲容限，造成誤觸發(fā)?；蛘撸粋€(gè)動(dòng)態(tài)低電平信號(hào)，其反向峰值也會(huì)超出低電平閾值，導(dǎo)致誤觸發(fā)。

短傳輸線末端由于阻抗突變而造成的發(fā)射噪聲

02

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阻抗突變處的反射

無(wú)論什么原因使瞬時(shí)阻抗發(fā)生了改變，部分信號(hào)將沿著原傳播方向反射，而另一部分將繼續(xù)傳播，但幅度有所改變。瞬時(shí)阻抗發(fā)生改變的地方稱為阻抗突變，或簡(jiǎn)稱突變。?

兩個(gè)區(qū)域的阻抗差異越大，反射信號(hào)量就越大。

V_reflected表示反射電壓

V_incident表示入射電壓

Z_1表示信號(hào)最初所在區(qū)域的瞬時(shí)阻抗

Z_2表示信號(hào)所在區(qū)域的瞬時(shí)阻抗

ρ表示反射系數(shù)

如果1V信號(hào)沿特性阻抗為50?的傳輸線傳播，其受到的瞬時(shí)阻抗為50?，則當(dāng)它進(jìn)入特性阻抗為75?的區(qū)域時(shí)，反射系數(shù)為（75-50）/（75+50）=20%，反射電壓為20% x 1V =0.2V。

只要信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生改變，就會(huì)有一些反射信號(hào)，

同時(shí)繼續(xù)傳輸?shù)男盘?hào)也有一定的失真。

03

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為什么會(huì)有反射

產(chǎn)生反射信號(hào)是為了滿足兩個(gè)重要的邊界條件，發(fā)生反射的原因：?

邊界處出現(xiàn)電壓不連續(xù)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無(wú)限大的電場(chǎng)。?

邊界處出現(xiàn)電流不連續(xù)，就會(huì)在此處產(chǎn)生凈電荷。?

為了使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生了一個(gè)反射回源端的電壓。它的唯一目的就是吸收入射信號(hào)和傳輸信號(hào)之間不匹配的電壓和電流。

交界面兩個(gè)電壓相同的條件為：

交界面兩個(gè)電流相同的條件為：

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反射系數(shù)：

入射系數(shù)：

沒(méi)有人知道到底是什么產(chǎn)生了反射電壓？只是知道這樣產(chǎn)生之后，交界面兩側(cè)的電壓才能相等，交界面處的電壓才是連續(xù)的。同理，在交界面兩側(cè)也存在電流回路，電流也是連續(xù)的。這樣，整個(gè)系統(tǒng)才是平衡的。

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阻抗負(fù)載的反射

傳輸線的端接匹配有3種重要的特殊情況。假設(shè)傳輸線的特性阻抗是50?，信號(hào)由源端沿傳輸線到達(dá)有特殊終端阻抗的遠(yuǎn)端。

注意：在時(shí)域中信號(hào)對(duì)受到的瞬時(shí)阻抗十分敏感。第二個(gè)區(qū)域可以不是傳輸線，它可能是一個(gè)相應(yīng)阻抗的分立元件，如電阻器、電容器、電感器或它們的組合電路。

傳輸線的終端為開路：即傳輸線的末端沒(méi)有連接任何端接，則末端的瞬時(shí)阻抗是無(wú)窮大。這時(shí)反射系數(shù)為（無(wú)窮-50）/（無(wú)窮+50）=1。這意味著在開路端將產(chǎn)生與入射波大小相同但方向相反的返回源端的發(fā)射波。

傳輸線的末端與返回路徑相短路：末端阻抗為0。此時(shí)反射系數(shù)（0-50）/（0+50）=-1。1V入射信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端時(shí)，將產(chǎn)生-1V 反射信號(hào)，它沿傳輸線向源端傳播。短路突變處測(cè)得的電壓為入射電壓與反射電壓之和，即1V+（-1）V=0。

傳輸線末端所接阻抗與傳輸線的特性阻抗相匹配：此時(shí)不存在反射電壓，50?終端電阻器上的電壓僅是入射信號(hào)的。?

總結(jié)：當(dāng)末端為一般電阻性負(fù)載時(shí)，信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗在0 到無(wú)窮大之間。這樣，反射系數(shù)就在-1到+1 之間。

信號(hào)從50?的區(qū)域1到區(qū)域2的各種阻抗時(shí)的反射系數(shù)

如果傳輸線的特性阻抗為50?，終端端接為25?，則反射系數(shù)為(25-50)/(25+50）=-1/3。

對(duì)于1V入射電壓，其中的-0.33V 將被反射回源端，終端的實(shí)際電壓為兩個(gè)波之和：1V+（-0.33）V=0.67V。

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驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)阻

典型的CMOS 器件，其值在5~20?之間。而早期的晶體管—晶體管邏輯門（TTL），其值高達(dá)100?。源阻抗對(duì)進(jìn)入傳輸線的初始電壓和之后的多次反射都有重要的影響。?

驅(qū)動(dòng)一個(gè)高阻抗時(shí)，就可以得到這個(gè)理想電壓源的輸出電壓，輸出端接一個(gè)低電阻，例如10?，測(cè)量在端接電阻器上的電壓V_t，就能反求出驅(qū)動(dòng)器的源內(nèi)阻。

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另外一種方法就是改變負(fù)載電阻值，直到負(fù)載輸出電壓恰好等于空載開路輸出電壓的一半時(shí)為止。這時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的源內(nèi)阻就等于負(fù)載電阻。

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反彈圖

進(jìn)入傳輸線的實(shí)際電壓（即入射電壓）是由源電壓、內(nèi)阻和傳輸線輸入阻抗組成分壓器共同決定。

0.84 V信號(hào)就是沿傳輸線傳播的初始入射電壓。

源端的反射系數(shù)是（10-50）/（10+50）=-0.67，當(dāng)驅(qū)動(dòng)端遇到0.84 V 的入射信號(hào)時(shí)，將有0.84V x(-0.67)=-0.56V 的電壓反射回線的遠(yuǎn)端。

內(nèi)阻小于傳輸線的特性阻抗，源端出現(xiàn)的是負(fù)反射，這將引起通常所說(shuō)的振鈴現(xiàn)象。

信號(hào)上升邊遠(yuǎn)小于傳輸線的時(shí)延時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)端電壓波形：

1.遠(yuǎn)端的電壓最終逼近源電壓1V，因?yàn)樵撾娐肥情_路的，即源電壓最終是加在開路端的

2.開路處的實(shí)際電壓有時(shí)大于源電壓。源電壓僅為1V，然而遠(yuǎn)端測(cè)得的最大電壓是1.68V。高出的電壓是怎么產(chǎn)生的？它是傳輸線結(jié)構(gòu)共振的一個(gè)特性。記住，沒(méi)有所謂的電壓守恒，只有能量守恒。

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反射波形仿真

先創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)器，再加上理想傳輸線，并接上終端端接。當(dāng)入射波傳向線的末端，在所有阻抗突變處產(chǎn)生發(fā)射時(shí)，出現(xiàn)在終端和其他任意節(jié)點(diǎn)的電壓都可以仿真得到。

下圖給出信號(hào)上升邊從0.1ns到1.5ns，源端端接電阻從0?到90?變化時(shí)，遠(yuǎn)端信號(hào)波形的變化。

不同的信號(hào)上升邊時(shí)遠(yuǎn)端的電壓

不同源端串聯(lián)端接電阻器時(shí)遠(yuǎn)端的電壓

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用時(shí)域反射計(jì)測(cè)量反射

時(shí)域反射計(jì)只不過(guò)是一個(gè)快速階躍信號(hào)發(fā)生器和高速采樣示波器。?

時(shí)域反射計(jì)確實(shí)顯示信號(hào)感受到的瞬時(shí)阻抗變化。

時(shí)域反射計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)高速脈沖發(fā)生器產(chǎn)生快速上升的電壓脈沖，它流經(jīng)精確的50?電阻器，該電阻器與一個(gè)很短的50?同軸電纜串聯(lián)，最后接到與被測(cè)元器件相連的前面板。用高速采樣示波器測(cè)得內(nèi)部點(diǎn)的總電壓，并顯示在屏幕上。

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傳輸線及非故意突變

只要信號(hào)受到的阻抗有改變，必然有反射產(chǎn)生，而且反射對(duì)信號(hào)質(zhì)量有嚴(yán)重的影響。

傳輸線電路示例3種類型的阻抗突變：短傳輸線的串聯(lián)和并聯(lián)、

并聯(lián)電容性、串聯(lián)電感性。

突變引起的信號(hào)失真程度受到兩個(gè)重要的參數(shù)的影響：信號(hào)的上升邊和阻抗突變的大小。

電感器和電容器的瞬時(shí)阻抗取決于變化中的電流或電壓的瞬時(shí)變化率及其L 和C的值。

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多長(zhǎng)需要端接

最簡(jiǎn)單的傳輸線電路由近端驅(qū)動(dòng)器、短的可控阻抗互連和遠(yuǎn)端接收器組成。信號(hào)將在遠(yuǎn)端高阻抗開路端和近端低阻抗驅(qū)動(dòng)器之間往返反彈。

當(dāng)互連時(shí)延大于0.1ns時(shí)，會(huì)發(fā)生多次反射，并且它們是以每0.2ns（即往返時(shí)間）完成一個(gè)往返振蕩的。當(dāng)時(shí)延小于上升邊20%時(shí)，反射幾乎看不到，但如果超過(guò)20%，振鈴就開始有明顯的影響。

無(wú)終端端接情況下，在傳輸線遠(yuǎn)端觀測(cè)到100MHz時(shí)鐘信號(hào)波形

如果上升邊1ns，則無(wú)終端端接的傳輸線的最大時(shí)延約為20% x 1ns=0.2 ns。在FR4中，信號(hào)傳播速度是6in/ns，所以無(wú)終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度約為6in/ns x 0.2 ns=1.2 in。

Len_max 表示無(wú)終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度（單位為in）

RT 表示信號(hào)上升邊（單位為ns）

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點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)涞耐ㄓ枚私硬呗?/p>

振鈴是由源端和遠(yuǎn)端的阻抗突變、兩端之間不斷往復(fù)的多次反射引起的，如果能至少在一端消除反射，就能減小振鈴噪聲。

一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)接收器的情況稱為點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

最常用的方法是將電阻器串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)器端，這稱為源端串聯(lián)端接。端接電阻與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻之和應(yīng)等于傳輸線的特性阻抗。

點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的4種常見端接方式示意圖。

第一種源端串聯(lián)端接方式是最常見的。

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短串聯(lián)傳輸線的反射

電路板上的線條常常要通過(guò)過(guò)孔區(qū)域或在元件密集區(qū)域布線。此時(shí)線寬必然變窄，收縮成頸狀（見下圖）。如果傳輸線上有這么一小段的線寬變化，特性阻抗一般就是變大的。

那么，多長(zhǎng)的線段和多大的阻抗改變會(huì)造成問(wèn)題呢？

決定短傳輸線段對(duì)信號(hào)影響的3個(gè)特征是：突變引起的時(shí)延（TD）、突變處的特性阻抗（Z0）及信號(hào)的上升邊（RT）。

為了保持反射噪聲低于電壓擺幅5%，需要保證特性阻抗的變化率小于10%。這就是為什么電路板上阻抗的典型指標(biāo)為+/-10%。

Len_max 表示阻抗突變的最大長(zhǎng)度（單位為in）

RT 表示信號(hào)上升邊（單位為ns）

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短并聯(lián)傳輸線的反射

在一段均勻傳輸線上接一個(gè)分支，以使信號(hào)去往多個(gè)扇出。如果分支很短，就稱其為樁線。樁線通常是球柵陣列封裝過(guò)程的產(chǎn)物。

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容性終端的反射

所有實(shí)際接收器都有門輸入電容，一般約為2 pF。此外，接收器的封裝引腳與返回路徑之間還會(huì)有約1pF的電容。

當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線到達(dá)末端理想電容器時(shí)，決定反射系數(shù)的瞬時(shí)阻抗將隨時(shí)間的變化而變化。

上升邊為0.5ns的信號(hào)，當(dāng)傳輸線電路遠(yuǎn)端容性負(fù)載的電容量分別為0.2pF,5pF和10pF時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸線號(hào)

如果信號(hào)上升邊小于電容器的充電時(shí)間常數(shù)，那么最初電容器上的電壓將迅速上升，這時(shí)阻抗很小。隨著電容器充電，電容器上的電壓變化率dV/ dt 緩慢下降，這時(shí)電容器阻抗將明顯增大。如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，電容器充電達(dá)到飽和，電容器就相當(dāng)于斷路。?

傳輸電壓模式的長(zhǎng)期效果就像通過(guò)電阻器向電容器充電，電容器對(duì)信號(hào)上升邊進(jìn)行濾波。對(duì)接收端信號(hào)而言，它就相當(dāng)于一個(gè)“時(shí)延累加器”，它與RC電路的充電方式非常相似，電容器上的電壓隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)。

在任何電路仿真中都會(huì)把柵極電容的影響自動(dòng)考慮在內(nèi)。如果接收器加有靜電釋放（ESD）保護(hù)二極管，這一項(xiàng)就會(huì)高達(dá)5~8pF，一般情況下則會(huì)低至大約2~3pF。

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走線中途容性負(fù)載的反射

測(cè)試焊盤、過(guò)孔、封裝引線或連接到互連中途的短樁線，都起著集總電容器的作用。

上升邊為0.5ns的信號(hào)，當(dāng)傳輸線電路中途容性負(fù)載的電容量分別為0.2pF,5pF和10pF時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸線號(hào)。

在信號(hào)上升過(guò)程中，信號(hào)路徑與返回路徑之間的電容器就是一個(gè)并聯(lián)阻抗Z_cap 。這個(gè)跨接在傳輸線上的并聯(lián)阻抗引起了反射。為了避免該阻抗造成嚴(yán)重的問(wèn)題，希望該阻抗能大于傳輸線的阻抗。

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當(dāng)信號(hào)邊沿經(jīng)過(guò)與傳輸線并聯(lián)的容性突變時(shí)，

可以把這個(gè)突變描述成并聯(lián)阻抗。

特性阻抗是50?，則所容許的最大電容量為：

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中途容性時(shí)延累加

中途容性負(fù)載產(chǎn)生的影響：

1.接收端的下沖噪聲??????? 2.遠(yuǎn)端信號(hào)的接收時(shí)間被延遲

電容器與傳輸線的組合就像一個(gè)RC濾波器，所以傳輸信號(hào)10%~90%上升邊將增加，信號(hào)越過(guò)電壓閾值50%的時(shí)間也將推后。傳輸信號(hào)10%~90% 上升邊約為

50% 處的時(shí)延累加量稱為時(shí)延累加，約為：

RT10%~90%表示信號(hào)上升邊10%~90%（單位ns）

△TD表示通過(guò)電壓閾值50%的時(shí)延累加（單位ns）

Z0表示傳輸線的特性阻抗（單位?）

C表示容性突變（單位為nF）

R為1/2 Z0

公式中的系數(shù)1/2 是因?yàn)閭鬏斁€的前一半使電容器充電，而后一半則使電容器放電，所以給電容器充電的有效阻抗實(shí)際上是特性阻抗的1/2。

例如，50?傳輸線中途的2pF容性突變，使傳輸信號(hào)的10%~90% 上升邊約增加50 x 2=100ps。

如果按公式進(jìn)行預(yù)估，則2pF、5pF、10pF電容器對(duì)應(yīng)時(shí)延累加分別為50ps，125ps和250ps。

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拐角和過(guò)孔的影響

導(dǎo)線中的電子速度為1cm/s， 90°拐角不會(huì)影響電子速度。?

90°拐角彎曲處額外線寬，造成容性突變，影響信號(hào)質(zhì)量。

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對(duì)于高密度電路板線寬為5mil的典型信號(hào)線，一個(gè)拐角的電容量約為10 fF。10 fF電容器產(chǎn)生的反射噪聲如果對(duì)信號(hào)上升邊有影響，上升邊的數(shù)量級(jí)就必須在0.01/4≈3 ps左右。而電容引起的時(shí)延累加約為0.5x50x0.01 =0.25 ps。

一般過(guò)孔處的有效特性阻抗，包括經(jīng)過(guò)不同平面的返回路徑，小于50?，約為35?。50?傳輸線的單位長(zhǎng)度電容為3.3 pF/in，那么過(guò)孔樁線的單位長(zhǎng)度電容為5 pF/in，即5 fF/mil。根據(jù)這一經(jīng)驗(yàn)法則估算過(guò)孔樁線的容性負(fù)載。

導(dǎo)線中間位置上分別有、無(wú)容性突變通孔時(shí)，測(cè)得的均勻傳輸線的時(shí)域反射響應(yīng)。線前端的連接件過(guò)孔也是一種容性突變。

這個(gè)過(guò)孔的容量約為0.4 pF，可預(yù)計(jì)這單個(gè)過(guò)孔產(chǎn)生的時(shí)延約為0.5x50x0.4pF=10ps。下圖說(shuō)明這個(gè)傳輸信號(hào)的時(shí)延比相同導(dǎo)線上沒(méi)有過(guò)孔時(shí)增加了9ps，這與經(jīng)驗(yàn)法的預(yù)估值接近。

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有載線

?均勻分布著容性負(fù)載的傳輸線稱為有載線。?

分立電容的加大對(duì)導(dǎo)線的作用就是降低了特性阻抗并加大了時(shí)延，它與在過(guò)孔中所發(fā)生的情況相同。

每個(gè)突變看起來(lái)就像一個(gè)低阻抗區(qū)域。當(dāng)上升邊小于電容之間的時(shí)延時(shí)，對(duì)于信號(hào)而言，每個(gè)突變都是彼此獨(dú)立的。當(dāng)上升邊大于電容之間的時(shí)延時(shí)，低阻抗區(qū)域相互交疊，從而使導(dǎo)線的平均阻抗下降。

給出3個(gè)上升邊不同時(shí)，有載線的反射信號(hào)。該例中，導(dǎo)線的標(biāo)稱阻抗是50?，每隔1in 分布3 pF電容器，共有5個(gè)這樣的電容器，最后10 in 導(dǎo)線是沒(méi)有負(fù)載的無(wú)載線。

50?導(dǎo)線的單位長(zhǎng)度電容約為3.3 pF/in ，當(dāng)添加的分布式容性負(fù)載與此值相當(dāng)時(shí)，特性阻抗和時(shí)延就有明顯的改變。

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感性突變的反射

如果信號(hào)路徑上或返回路徑出現(xiàn)突變，信號(hào)路徑或返回路徑上突變引起的局部自感決定了回路電感，信號(hào)路徑與返回路徑之間有局部互感，但回路電感主要由阻抗突變引起的局部自感決定。

近端信號(hào)的形狀為先上升后下降，稱為非單調(diào)性，即信號(hào)不是穩(wěn)定一致地單調(diào)上升。這一特征本身并不會(huì)造成信號(hào)完整性問(wèn)題。但如果近端有接收器，并且它接收到的信號(hào)先是超過(guò)50%點(diǎn)，再下降到50%點(diǎn)以下，這樣就有可能造成誤觸發(fā)。?

對(duì)于邊沿快速上升的入射信號(hào)，大的串聯(lián)回路電感初看是一個(gè)高阻抗元件，所以產(chǎn)生返回源端的正反射。

上升邊為50 ps的信號(hào)分布通過(guò)

電感值為0,1 nH,5 nH和10 nH的感性突變時(shí)，

在源端和接收端的信號(hào)波形。

分立電感器這一串聯(lián)阻抗突變引起的增量小于導(dǎo)線特性阻抗的20%為限，為了確保電感器的阻抗低于導(dǎo)線阻抗的20%，可容許的最大感性突變約為：

感性突變會(huì)引起反射噪聲和時(shí)延累加。若上升邊很短，信號(hào)的上升邊主要由串聯(lián)電感決定。?傳輸信號(hào)的10%~90%上升邊約為：

10nH突變使10%~90%信號(hào)上升邊提高到10/50=0.2ns，信號(hào)中間點(diǎn)的時(shí)延累加約為此值的一半，即0.1ns。

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補(bǔ)償

設(shè)計(jì)中常常用到專用連接器，電路中的串聯(lián)回路電感是不可避免的，它可能造成過(guò)量的反射噪聲，補(bǔ)償技術(shù)就是抵消部分此類噪聲 。例如：在感性突變的兩側(cè)各加一個(gè)小電容器，就能將感性突變轉(zhuǎn)變成一節(jié)傳輸線。

用于感性突變的補(bǔ)償電路。在感性突變兩側(cè)加足夠的電容可以使其如圖50?傳輸線的一部分。

如果連接器的電感為10nH，導(dǎo)線的特性阻抗為50?，則所要加上的總補(bǔ)償電容為10/（50x50）=0.004nF=4pF。最優(yōu)的補(bǔ)償方式是將4pF電容分為兩部分，分別加在電感器的兩側(cè)，即各2pF。

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思維導(dǎo)圖

編輯：黃飛

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