(57)【要約】【課題】電子機器および半導体集積回路において、流出電流と流入電流を等しくすることのできる電流源を提供し、さらに、安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることのできる増幅器を提供する。【解決手段】基準となる電流源と、基準電圧と、カレントミラーを構成し、かつ、電流を出力する第１のトランジスタと、第１の増幅器と、前記増幅器の出力で駆動される第２および第３のトランジスタと前記第２のトランジスタの電流を電圧に変換する手段とを備えた電流源である。さらに、前記電流源の電流で動作し、動作点の基準を前記電圧源の電圧とする第２の増幅器とを備えた増幅器である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準となる電流源と、電流を電圧に変換する第１のトランジスタ群と、前記第１のトランジスタ群とカレントミラーを構成し、かつ、電流を出力する第１のトランジスタと、増幅器と、前記増幅器の出力で駆動される第２および第３のトランジスタと前記第２のトランジスタの電流を電圧に変換する第２のトランジスタ群とを備え、第１のトランジスタ群で発生した電圧と第２のトランジスタ群で発生した電圧を前記増幅器に入力とした電流源。
【請求項２】
基準となる電流源と、前記電流を反転する出力するカレントミラーを構成する第１のトランジスタおよび電流出力する第２および第３のトランジスタと、増幅器と、前記増幅器に入力する電圧源と、前記増幅器の出力で駆動される第４および第５のトランジスタとを備え、前記第２のトランジスタと第４のトランジスタで発生した電圧を前記増幅器に入力とした電流源。
【請求項３】
前記請求項２における第３のトランジスタおよび第５のトランジスタによる電流で動作する増幅器。
【請求項４】
基準となる電流源と、前記電流を反転する出力するカレントミラーを構成する第１のトランジスタおよび電流出力する第２および第３のトランジスタと、第１の増幅器と、前記増幅器に入力する電圧源と、前記第１の増幅器の出力で駆動される第４および第５のトランジスタと、前記第２のトランジスタと第４のトランジスタで発生した電圧を前記第１の増幅器に入力とし、前記第３のトランジスタおよび第５のトランジスタによる電流で動作し、動作点の基準を前記電圧源の電圧とする第２の増幅器とを備えた増幅器。
【請求項５】
基準となる電流源と、前記電流を反転する出力するカレントミラーを構成する第１のトランジスタおよび電流出力する第２および第３のトランジスタと、第１の増幅器と、前記増幅器に入力する電圧源と、前記第１の増幅器の出力で駆動される第４および第５のトランジスタと、前記第２のトランジスタと第４のトランジスタによる電流で動作し、動作点の基準を前記第１の増幅器に入力とする第２の増幅器と、前記第３のトランジスタおよび第５のトランジスタによる電流で動作し、動作点の基準を前記電圧源の電圧とする第３の増幅器とを備えた増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子機器および半導体集積回路に使用する電流源および増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子機器および半導体集積回路に使用する電流源については文献にカレントミラー回路として開示されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
図２０は従来の電流源の回路図である。図２０において、１は回路を動作させる電圧を印加する電源印加端、２は基準となる電流源、４は電流を流出する出力端、５は電流を流入する出力端、Ｍ２、Ｍ１２、Ｍ７はｎチャンネルＭＯＳトランジスタ、Ｍ６、Ｍ２０はｐチャンネルＭＯＳトランジスタである。Ｍ２、Ｍ１２、Ｍ７がカレントミラー回路を構成し、Ｍ６、Ｍ２０もカレントミラー回路を構成する。このように構成された差動増幅器においてこの動作を説明する。電流源２から流入した電流はＭ２で受けて、Ｍ７、Ｍ１２によりそれぞれ反転される。Ｍ７で反転された電流は出力端子５を通して引き込まれる。Ｍ１２により反転された電流はＭ２０で受けて、Ｍ６でさらに反転されて、出力端子４より流出される。図２１は電流源２を流出、Ｍ２、Ｍ１２、Ｍ７はｐチャンネルＭＯＳトランジスタ、Ｍ６、Ｍ２０はｎチャンネルＭＯＳトランジスタとして同様に構成したものである。
【０００４】
さらに、この電流源を利用した増幅器の動作点を設定するコモンフィードバック回路が開示されている（非特許文献２参照）。
【０００５】
図２２において６は電圧源、８、９は増幅器の入力端、１１、１２は負荷、１３、１４は増幅器の出力端、Ｍ１０、Ｍ１１、Ｍ１８、Ｍ１９はｎチャンネルＭＯＳトランジスタ、Ｍ６ａ、Ｍ６ｂ、Ｍ８、Ｍ９はｐチャンネルＭＯＳトランジスタである。このように構成された差動増幅器においてこの動作を説明する。増幅器の入力端８および９から入力された信号は、差動増幅器を構成するＭ１８およびＭ１９により電流に変換され、負荷１１および１２により増幅した電圧となり、増幅器の出力端子１３および１４から取り出される。この増幅器の動作点を決定するために負荷１１と１２の接続点を差動増幅器Ｍ１０およびＭ１１により電圧源６の電圧と比較して、カレントミラー回路Ｍ８、Ｍ６ａおよびＭ６ｂに流れる電流を調整する。その結果、負荷１１および１２の動作点が電圧源６の電圧となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−１２４６０９号公報
【非特許文献１】
日経ＢＰ社  半導体回路設計技術（玉井徳迪監修、１版、３０２ページ）
【非特許文献２】
ＣＭＯＳ  Ａｎａｌｏｇ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｓｅｃｏｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ  ｐ１９６  出版社ＯＸＦＯＲＤ  著者Ｐｈｉｌｌｉｐ  Ｅ．  Ａｌｌｅｎ、Ｄｏｕｇｌａｓ  Ｒ．  Ｈｏｌｂｅｒｇ
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、電子機器および半導体集積回路の電流源および増幅器に使用する電流源において、流出電流と流入する電流を回路で同時に使用する場合に、等しくならないことが課題であった。
【０００８】
ＭＯＳトランジスタの特性において、電流は
Ｉｄｓ＝ｋ＊（Ｖｇｓ−Ｖｔ）２＊（１＋λ＊Ｖｄｓ）
で表せる。ここで、ＩｄｓはＭＯＳトランジスタの電流、ｋは増幅率、Ｖｇｓはゲート−ソース間電圧、Ｖｔはスレッショルド電圧、λはチャンネル長変調係数、Ｖｄｓはドレイン−ソース間電圧である。供給された電流はＭＯＳトランジスタを通過する度にチャンネル変調効果の影響を受ける。出力端子４を流れる流出電流Ｉ４と出力端子５を流れる流入電流Ｉ５との電流比は、トランジスタのサイズを等しく設計し、Ｖｄｓをほぼ等しく、ｎチャンネルとｐチャンネルのλをほぼ等しいとして近似すると
Ｉ４／Ｉ５＝（１＋λ＊Ｖｄｓ）２／（１＋λ＊Ｖｄｓ）＝（１＋λ＊Ｖｄｓ）
となり１にならない。例えば、λ＝０．０５、Ｖｄｓ＝１．５Ｖとして、７．５％の誤差が発生し、流入の電流より流出の電流が大きくなってしまう。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、流出電流と流入電流を等しくすることのできる電流源を提供することを目的とする。
【００１０】
さらに同様にコモンフィードバック回路においても同様の誤差が発生するが、差動増幅器Ｍ１０、Ｍ１１とカレントミラーＭ８、Ｍ６ａおよびＭ６ｂ、負荷１１および１２によって決定されるループ利得Ａｌによりさらに縮小できる。ただし、ループ利得Ａｌは発振を防止するために大きく取れず、せいぜい１０倍程度である。したがって、誤差は１０％の１０分の１となり、０．７５％残留する。さらに、負荷１１および負荷１２をコモンフィードバック回路のループに持つので、発振を防止するために大きな値をとることができない。したがって、Ｍ１８およびＭ１９で構成される本来の増幅器の利得を大きくすることができない。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることのできる増幅器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の電流源においては、基準となる電流源と、電流を電圧に変換する第１のトランジスタ群と、前記第１のトランジスタ群とカレントミラーを構成し、かつ、電流を出力する第１のトランジスタと、増幅器と、前記増幅器の出力で駆動される第２および第３のトランジスタと前記第２のトランジスタの電流を電圧に変換する第２のトランジスタ群とを備えたものである。
【００１３】
この構成により、流出電流と流入電流を等しくすることのできる電流源が得られる。
【００１４】
さらに、この目的を達成するために本発明の増幅器においては、基準となる電流源と、前記電流を反転する出力するカレントミラーを構成する第１のトランジスタおよび電流出力する第２および第３のトランジスタと、第１の増幅器と、前記増幅器に入力する電圧源と、前記第１の増幅器の出力で駆動される第４および第５のトランジスタと、前記第２のトランジスタと第４のトランジスタで発生した電圧を前記第１の増幅器に入力とし、前記第３のトランジスタおよび第５のトランジスタによる電流で動作し、動作点の基準を前記電圧源の電圧とする第２の増幅器とを備えたものである。
【００１５】
この構成により、安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることのできる増幅器が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基準となる電流源と、電流を電圧に変換する第１のトランジスタ群と、前記第１のトランジスタ群とカレントミラーを構成し、かつ、電流を出力する第１のトランジスタと、増幅器と、前記増幅器の出力で駆動される第２および第３のトランジスタと前記第２のトランジスタの電流を電圧に変換する第２のトランジスタ群とを備え、流出電流と流入電流を等しくすることができるという作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の発明は、基準となる電流源と、前記電流を反転する出力するカレントミラーを構成する第１のトランジスタおよび電流出力する第２および第３のトランジスタと、増幅器と、前記増幅器に入力する電圧源と、前記増幅器の出力で駆動される第４および第５のトランジスタとを備え、流出電流と流入電流を等しくすることができるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の電流源と前記電流源の電流で動作する増幅器とを備え、安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることができるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の発明は、基準となる電流源と、前記電流を反転する出力するカレントミラーを構成する第１のトランジスタおよび電流出力する第２および第３のトランジスタと、第１の増幅器と、前記増幅器に入力する電圧源と、前記第１の増幅器の出力で駆動される第４および第５のトランジスタと、前記第２のトランジスタと第４のトランジスタで発生した電圧を前記第１の増幅器に入力とし、前記第３のトランジスタおよび第５のトランジスタによる電流で動作し、動作点の基準を前記電圧源の電圧とする第２の増幅器とを備え、安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることができるという作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項５に記載の発明は、基準となる電流源と、前記電流を反転する出力するカレントミラーを構成する第１のトランジスタおよび電流出力する第２および第３のトランジスタと、第１の増幅器と、前記増幅器に入力する電圧源と、前記第１の増幅器の出力で駆動される第４および第５のトランジスタと、前記第２のトランジスタと第４のトランジスタによる電流で動作し、動作点の基準を前記第１の増幅器に入力とする第２の増幅器と、前記第３のトランジスタおよび第５のトランジスタによる電流で動作し、動作点の基準を前記電圧源の電圧とする第３の増幅器とを備え、安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることができるという作用を有する。
【００２１】
以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は第１の実施形態における電流源の回路図を示すものである。図１において、３は増幅器、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ７はｎチャンネルＭＯＳトランジスタ、Ｍ５、Ｍ６はｐチャンネルＭＯＳトランジスタである。Ｍ１とＭ２とから電流源２の電流を電圧に変換する変換器を構成し、Ｍ２とＭ７とからカレントミラー回路を構成し、Ｍ５とＭ６とは増幅器３に出力電圧により調整される電流源を構成し、Ｍ３とＭ４とからＭ５の電流を電圧に変換する変換器を構成する。さらに、図２に第１の実施形態の例として、具体的な回路図を示す。図２においてＭ８、Ｍ９はｐチャンネルＭＯＳトランジスタ、Ｍ１０、Ｍ１１、Ｍ１２はｎチャンネルＭＯＳトランジスタ、Ｃはコンデンサである。Ｍ１２は電流源、Ｍ１０とＭ１１は差動ペア、Ｍ８とＭ９はカレントミラーで差動ペアの能動負荷となっている。Ｍ８からＭ１２のトランジスタとコンデンサＣとで増幅器を構成している。
【００２３】
以上のように構成された第１の実施形態である電流源について以下、その動作を説明する。
【００２４】
以上のように第１の実施形態によれば、Ｍ１とＭ２とで発生した電圧とＭ３とＭ４とで発生した電圧が増幅器３に入力されて、等しくなるようにＭ５のゲート電圧が調整される。したがって、Ｍ５から流れる電流は電流源２と等しくなり、さらに同じ電圧でＭ６のゲート電圧を駆動するので、Ｍ６の電流も電流源２にほぼ等しくなる。従来技術と同じ近似を適用して、流出電流Ｉ４と流入電流Ｉ５との電流比を求めると、
Ｉ４／Ｉ５＝（１＋λ＊Ｖｄｓ）／（１＋λ＊Ｖｄｓ）＝１
となる。電流を電圧に変換する第１のトランジスタ群と、電流を電圧に変換する第２のトランジスタ群と、変換されたそれぞれの電圧の差を増幅する増幅器と、増幅器により駆動されるトランジスタとを備えることより流出電流と流入電流を等しくすることができる。
【００２５】
なお、本実施形態では直列２段に積み重ねたトランジスタを変換器としたが、図３のように増幅器の電流源を省略して１段のトランジスタを変換器としてもよい。
【００２６】
なお、本実施形態ではｎｃｈＭＯＳトランジスタを変換器として構成したが、図４、図５、図６のようにｐチャンネルＭＯＳトランジスタを変換器として構成してもよい。
【００２７】
さらに、本実施形態ではＭＯＳトランジスタで構成したが、バイポーラトランジスタで構成してもよい。
【００２８】
次に、図７は第３の実施形態における電流源の回路図を示すものである。図７において、６は増幅器の動作点を決める電源である。
【００２９】
以上のように構成された第３の実施形態の電流源について以下、図７を用いてその動作を説明する。Ｍ４のドレインとＭ５のドレインとの接続点を電圧源６と等しくなるようにＭ５およびＭ６のゲート電圧が調整される。そのとき、流出電流Ｉ４と流入電流Ｉ５との電流比を求めると、
Ｉ４／Ｉ５＝（１＋λ＊Ｖｄｓ）／（１＋λ＊Ｖｄｓ）＝１
となる。
【００３０】
以上のように第３の実施形態によれば、基準となる電圧源と増幅器と増幅器により駆動されるトランジスタとを備えることより流出電流と流入電流を等しくすることができる。
【００３１】
次に、図８は第４の実施形態における電流源を利用した増幅器の回路図を示すものである。図８において、１０は差動増幅器である。差動増幅器はＭ６およびＭ７の電流にて駆動される。さらに、図９に第４の実施形態の例として、具体的な回路図を示す。図９において、１５は電圧源、Ｍ１６、Ｍ１７はｐチャンネルＭＯＳトランジスタである。電圧源１５とＭ１６およびＭ１７はＭ６から供給される電流を分割している。
【００３２】
以上のように構成された第４の実施形態の増幅器について以下、その動作を説明する。図９において、差動ペアＭ１８およびＭ１９に入力された信号が負荷１１、１２で増幅されて出力端１３、１４に出力される。このとき、動作の必要条件として出力端１３、１４の動作中心が電圧源６の電圧で動作しなければならない。これはＭ６による流出電流と、Ｍ７による流入電流が等しく、かつ、動作中心点では差動ペアＭ１８、Ｍ１９がＭ７による電流を等分配し、また、電圧源１５とＭ１６およびＭ１７とがＭ６による電流を等分配するので、出力の中心動作点はＭ５のドレインとＭ４のドレインの接続点と等しい電圧になる。この電圧は増幅器３によって電圧源６の電圧と等しい電圧となり、差動増幅器の出力の動作中心も電圧源６の電圧と等しい電圧となる。このとき、負荷１１および１２は増幅器３のループに含まれないので、差動ペアＭ１８、Ｍ１９と構成される増幅器として大きい値負荷を設定できるので、増幅器の利得を大きくできる。さらに、負荷を省略して、ＭＯＳトランジスタの出力インピーダンスで設定される利得の大きな増幅器をも構成できる。
【００３３】
以上のように第４の実施形態によれば、第２の実施形態の電流源と、信号を増幅する差動増幅器とを備えることより安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることができる。
【００３４】
なお、本実施形態では電圧源６とＭ１６、Ｍ１７を電流分配器としたが、図１０のようにＭ６をＭ６ａとＭ６ｂに分割して、電圧源１５とＭ１６、Ｍ１７を省いてもよい。
【００３５】
なお、本実施形態ではｎチャンネルＭＯＳトランジスタを入力としたが、図１１のようにｐチャンネルＭＯＳトランジスタを入力としてもよい。さらに、電圧源６とＭ１６、Ｍ１７を電流分配器としたが、図１２のようにＭ７をＭ７ａとＭ７ｂに分割して、電圧源１５とＭ１６、Ｍ１７を省いてもよい。
【００３６】
なお、本実施形態ではｎｃｈＭＯＳトランジスタを電流入力として構成したが、図１３のようにｐチャンネルＭＯＳトランジスタを電流入力として構成してもよい。
【００３７】
さらに、本実施形態ではＭＯＳトランジスタで構成したが、バイポーラトランジスタで構成してもよい。
【００３８】
次に、図１４は第５の実施形態における増幅器の回路図を示すものである。図１４において、７は１０の差動増幅器と等価な差動増幅器である。さらに、図１５は第５の実施形態における増幅器の具体的な回路図である。図１５において、ｎチャンネルトランジスタＭ１３とＭ１４は差動ペアを、Ｍ１５はゲート接地回路を構成し、Ｍ１３、Ｍ１４、Ｍ１５で差動増幅器１０と等価な差動増幅器７を構成している。
【００３９】
以上のように構成された第５の実施形態の増幅器について以下、その動作を説明する。ＭＯＳトランジスタのチャンネル変調効果λとＶｄｓをほぼ一定として近似したが、等価な差動増幅器７を入れることで、差動増幅器１０のＭＯＳトランジスタの動作状態と等しくなり、誤差がさらに減少する。
【００４０】
以上のように第５の実施形態によれば、第４の実施形態の差動増幅器１０と等価な差動増幅器７を備えることより安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では電圧源６とＭ１５、Ｍ１６、Ｍ１７を電流分配器としたが、図１６のようにＭ６をＭ６ａとＭ６ｂに分割して、電圧源１５とＭ１５、Ｍ１６、Ｍ１７を省いてもよい。
【００４２】
なお、本実施形態ではｎチャンネルＭＯＳトランジスタを入力としたが、図１７のようにｐチャンネルＭＯＳトランジスタを入力としてもよい。さらに、電圧源６とＭ１５、Ｍ１６、Ｍ１７を電流分配器としたが、図１８のようにＭ７をＭ７ａとＭ７ｂに分割して、電圧源１５とＭ１５、Ｍ１６、Ｍ１７を省いてもよい。
【００４３】
なお、本実施形態ではｎｃｈＭＯＳトランジスタを電流入力として構成したが、図１９のようにｐチャンネルＭＯＳトランジスタを電流入力として構成してもよい。
【００４４】
さらに、本実施形態ではＭＯＳトランジスタで構成したが、バイポーラトランジスタで構成してもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明は、電圧源と増幅器と増幅器により駆動されるトランジスタとを備えることより流出電流と流入電流を等しくすることができる優れた電流源を実現できるものである。
【００４６】
さらに、以上のように本発明は、電圧源と増幅器と増幅器により駆動されるトランジスタとを備えることより流出電流と流入電流を等しくすることができる優れた電流源と、信号を増幅する差動増幅器とを備えることより安定した動作点を確保しながら利得を大きくすることができる優れた増幅器を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における電流源の回路図
【図２】本発明の第１の実施形態における電流源の第１の具体的な実施例を示す回路図
【図３】本発明の第１の実施形態における電流源の第２の具体的な実施例を示す回路図
【図４】本発明の第２の実施形態における電流源の回路図
【図５】本発明の第２の実施形態における電流源の第１の具体的な実施例を示す回路図
【図６】本発明の第２の実施形態における電流源の第２の具体的な実施例を示す回路図
【図７】本発明の第３の実施形態における電流源の回路図
【図８】本発明の第４の実施形態における増幅器の回路図
【図９】本発明の第４の実施形態における増幅器の第１の具体的な実施例を示す回路図
【図１０】本発明の第４の実施形態における増幅器の第２の具体的な実施例を示す回路図
【図１１】本発明の第４の実施形態における増幅器の第３の具体的な実施例を示す回路図
【図１２】本発明の第４の実施形態における増幅器の第４の具体的な実施例を示す回路図
【図１３】本発明の第４の実施形態における増幅器の第５の具体的な実施例を示す回路図
【図１４】本発明の第５の実施形態における増幅器の回路図
【図１５】本発明の第５の実施形態における増幅器の第１の具体的な実施例を示す回路図
【図１６】本発明の第５の実施形態における増幅器の第２の具体的な実施例を示す回路図
【図１７】本発明の第５の実施形態における増幅器の第３の具体的な実施例を示す回路図
【図１８】本発明の第５の実施形態における増幅器の第４の具体的な実施例を示す回路図
【図１９】本発明の第６の実施形態における増幅器の回路図
【図２０】従来の電流源の回路図
【図２１】従来の電流源の回路図
【図２２】従来の増幅器の回路図
【符号の説明】
１  電源印加端
２  入力電流源
３  演算増幅器
４  出力端（電流流出）
５  出力端（電流流入）
６、１５  電圧源
７、１０  差動増幅器
８、９  差動増幅器の入力端
１１、１２  負荷
１３、１４  差動増幅器の出力端
Ｍ１〜Ｍ２０  ＭＯＳトランジスタ
Ｃ  容量
【図１】
2004248014.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004248014.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2004248014.tif 000018
【図１７】
2004248014.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2004248014.tif 000021
【図２０】
2004248014.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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