DE2718491A1

DE2718491A1 - Schaltungsanordnung zur verstaerkung der signale eines elektromagnetischen wandlers und zur vorspannungserzeugung fuer den wandler

Info

Publication number: DE2718491A1
Application number: DE19772718491
Authority: DE
Inventors: Jerome Danforth Harr
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-05-06
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1977-11-24
Also published as: DE2718491C2; IT1114782B; FR2350657A1; CA1096036A; FR2350657B1; GB1537603A; JPS5827561B2; JPS52135706A; US4050086A

Description

Anmelderin:

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin!

Böblingen, den 25. April 1977 ne-bm/bb ₂7 1 849 1

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Neuanmeldung
SA 975 032

Vertreter:

Patentassessor

Dipl.-Ing. Johannes Neuland Böblingen

Bezeichnung:

Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Signale eines elektromagnetischen Wandlers und zur Vorspannungserzeugung für den Wandler

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Signale, die von einem elektromagnetischen Wandler, insbesondere von einem solchen der magnetoresistiven Art, erzeugt werden und die gleichzeitig die Vorspannung für den Wandler liefert.

Die Wiedergabe von elektrischen Signalen, die in einem magnetischen Speichermedium gespeichert sind, mittels elektromagnetischer Wandler ist bekannt. Ebenso ist es bekannt, die Verstärkung einer Verstärkerschaltung für die wiedergewonnenen Signale durch eine automatisch arbeitende Schaltung zu steuern.

Auch das Vorspannen elektromagnetischer Wandler zur Erzielung einer besseren Wiedergabe ist bekannt. Typisch für solche Vorspannungserzeugung ist das Vorspannen magnetoresistiver Wandler. Solchen Wandlern wird üblicherweise ein Gleichstrom mit einem Wert zugeführt, der geeignet ist, die besten Resultate aus der Sicht eines Technikers zu erzielen. Auf diese Anordnung folgt häufig eine Verstärkerschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung, die einige spezielle ihr gegebene Eigenschaften aufweist, die das wiedergewonnene Signal verbessern.

Ein Beispiel für das Vorspannen eines magnetoresistiven Wand- | lers ist in dem US-Patent 3 840 898 beschrieben, während aus dem US-Patent 3 723 894 eine Schaltung zur automatischen Ver-

Stärkungsregelung bekannt ist. Kombiniert man einen vorgespannten magnetoresistiven Wandler nach dem Stand der Technik mit einer Verstärkerschaltung wie sie in dem US-Patent 3 723 894 beschrieben ist, so würde das durch den magnetoresistiven Kopf erzeugte Signal überhaupt nicht verstärkt, sondern lediglich durch die Serienschaltung einer Eingangs-PIN-Diode in der Eingangsschaltung des Verstärkers gedämpft. Außerdem ist die Dämpfung frequenzabhängig (einschließlich der Störfrequenz), da PIN-Dioden als Dämpfungsglieder für hochfrequente Wellen und/oder Impulse wirken.

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ORIGINAL INSPECTED

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Signale eines elektromagnetischen Wandlers und zur Vorspannungserzeugung für den Wandler anzugeben .

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der vorher genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine Kaskade aus Differenzverstärkern zur Verstärkung der Differenz aus der Spannung des Wandlers und der Offsetspannung der Kaskade, deren Ausgang mit einer Steuerschaltung verbunden ist, deren zweiter Eingang an ein festes Potential und deren Ausgang an die eine Klemme des Wandlers angeschlossen ist und diesem eine Vorspannung zuführt, die proportional zur Ausgangsspannung der Verstärkerkaskade ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert, von denen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild, das den Stand der Technik für

magnetoresistive und ähnliche Wandler wiedergibt;

Fig. 2 ein Funktionsschaltbild der Grundschaltung

gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung und

Fign. 4(a) ein Schaltbild eines praktischen Ausführungsund (b) beispieles einer Schaltung gemäß der Erfindung.

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Das Schaltbild nach Fig. 1 gibt eine Anordnung nach dem Stand der Technik wieder. Die Schaltung 10 umfaßt ein Paar von Klemmen 11, 12, die als Ausgangsklemmen eines elektromagnetischen Wandlers dienen, der nur durch die gestrichelte Linie 14 angedeutet ist, die einen elektromagnetischen Wandler bezeichnet, und die gleichzeitig als Eingangsklemmen der nachfolgenden Schaltung dienen, die einen Differenzverstärker 16 enthält, der über Kondensatoren 17, 18 an die Klemmen 11, 12 angekoppelt ist. Das von dem Wandler 14 erzeugte Signal erscheint verstärkt an den Ausgangsklemmen 21, 22. Der elektromagnetische Wandler 14 wird später im Interesse der Klarheit als magnetoresistiver Wandler beschrieben, aber es ist offensichtlich, daß irgendein elektromagnetischer Wandler, der einen Gleichstrom als Vorstrom erfordert, gemäß der nachfolgenden Lehre verwendet werden kann. Weitere Einzelheiten eines typischen magnetoresistiven Wandlers sind in den US-Patenten 3 840 898 und insbesondere 3 813 beschrieben. Das Diagramm für den Wandler 14 ist das eines magnetoresistiven Wandlers, der durch einen Schichtwiderstand, welcher gewöhnlich als R_e bezeichnet wird und durch einen Widerstand 24 dargestellt ist, der in Reihe mit einem veränderbaren Widerstandselement liegt, das gewöhnlich als AR bezeichnet wird und durch ein Widerstandselement 26 dargestellt ist, dessen Wert sich mit einem magnetischen Feld H ändert, das beim Bewegen des, Wandlers 14 über einem magnetischen Speichermedium angelegt wird, indem die wiederzugebenden Signale gespeichert sind. Von einer geeigneten Gleichstromquelle, beispielsweise der, die zur Speisung der Verstärkerschaltung 16 dargestellt ist, wird den Klemmen 11, 12 ein Gleichstrom zugeführt, um dem elektromagnetischen Wandler 14 einen Vorstrom zuzuleiten.

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Die üblichen in Verbindung mit magnetoresistiven Wandlern benutzten Verstärker erzeugen, wie die dargestellte Kombination, Ausgangssignale, die oft um + 40 % variieren. Mindestens ein und gewöhnlich zwei Koppelkondensatoren sind erforderlich. Gemäß der Erfindung kann die Signalvariation auf + 11 % reduziert werden, wie später gezeigt wird.

Die Form des dargestellten elektromagnetischen Wandlers 14 enthält beispielsweise in einem 75 um magnetoresistiven Wandler einen Schichtwiderstand R_g dessen Wert, wenn er mit üblichen Mitteln hergestellt wird, von Einheit zu Einheit um + 30 % variiert. Das variable Widerstandselement AR ändert sich mit dem angelegten magnetischen Feld. Wenn das angelegte Magnetfeld null ist, ist AR gleich null. Wenn das angelegte Magnetfeld einen minimalen Wert überschreitet, der erforderlich ist, um das Element zu sättigen, dann gilt

AR = -kR« (1)

in der k eine Konstante ist, die bei üblicher Herstellung von Einheit zu Einheit zwischen 0,02 und 0,025 schwankt. Der durch die Widerstandselemente 24 und 26 fließende Gleichstrom wird durch die Werte der Widerstände 28, 30 und die angelegte Gleichspannung bestimmt. Der Wechselstrom oder die sich ändernde Signalspannung, die bei Bewegung am Wandler erscheint, wird über die Kondensatoren 17, 18 der Verstärkerschaltung 16 zugeführt. Wenn sich der Widerstand des Schichtwiderstandes 24 von Einheit zu Einheit um + 30 % ändert und der Wert k um +11 %, dann ändert sich der magnetisch veränderbare Widerstand des Widerstandes 26 etwa um + 40 %. Bei einem festen den Wandler durchfließenden Gleichstrom ändert sich die Signalspannung an den Klemmen 11, 12, die eine Wechselspannung darstellt und durch den sich ändernden Spannungsabfall an dem durch lein Magnetfeld veränderbaren Widerstandselement 26 erzeugt

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wird, um + 40 %. Es wäre erwünscht, 75 um oder 50 um-Wandler zu verwenden, jedoch besitzen die letzteren einen Schichtwiderstand von ungefähr 24 Ohm + 30 %. Die Verwendung des letzteren Wandlers zusammen mit dem Verstärker 16 hat eine noch schlechtere Signalvariation zur Folge.

Der Widerstandswert AR beträgt jedoch etwa 2 % des Wertes des Schichtwiderstandes R_g. Durch Einstellen des die Serienschaltung der Widerstände des elektromagnetischen Wandlers 14 durchfließenden Gleichstromes ist es möglich, einen vorgegebenen Spannungsabfall längs der Schaltung an den Klemmen 11, 12 zu erzeugen, wobei 98 % oder nahezu der gesamte Widerstand in dem Wandler der Schichtwiderstand ist, der durch den Widerstand 24 dargestellt ist.

^Vac " ¹B ^ΔΚ - ^{k 1}B V wird, wenn der Gleichstrom I₁, so variiert wird, daß das Pro-

dukt aus Ig und R_ß einem vorgegebenen Spannungswert entspricht, die einzige Variation des Signals jetzt veranlaßt durch eine Variation der Konstanten k, die eine Toleranz von 11 % besitzt.

Ein gewünschter durchschnittlicher Spannungswert an dem Wandler 14 beträgt beispielsweise 40 Millivolt. Sein Schichtwiderstand R- besitzt den Wert 26 Ohm. Dann wird gemäß der Erfindung der Gleichstrom durch den Wandler eingestellt auf

I_B = 0,040/26 ■ 1,54 ma. (3) !

Der resultierende Wechselstrom oder das sich ändernde Signal ist

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-JS-

V = I_n AR = k I_ R_n = 1,54 k max. 26 Ohm (4)

ac B B 13

= k χ 40 Millivolt. (5)

Für einen anderen mit den Klemmen 11, 12 zu verbindenden Wandler mit einem Schiel
so eingestellt, daß

ler mit einem Schichtwiderstand R_g = 46 Ohm wird der Vorstrom

I_n R_n = 40 Millivolt und I_n = O,040/46 = 0,87 ma. (6)

BB ü

Das erhaltene sich ändernde Ausgangssignal ist

V = I_n AR = k(O,87)(46) = k χ 40 Millivolt. (7) ac B

Durch Einstellen des Gleichstromes in dieser Weise ist gemäß der Erfindung die einzige Änderung des Ausgangssignals, die übrig bleibt, eine Änderung aufgrund der Konstanten k. Die große Variation in dem Schichtwiderstandselement wird durch die Änderung des Gleichstromes kompensiert.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zur automatischen Zuführung eines Vorstroms für den Wandler. Eine aus den direkt in Kaskade geschalteten Differenzverstärkern 41, 42 und 43 bestehende Verstärkerschaltung ist zwischen den Eingangsklemmen 11, 12 und den Ausgangsklemmen 21', 22' angeordnet. Ein Gleichstrom wird den Klemmen 11, 12 durch eine Serienschaltung zugeführt, die eine Vorrichtung 44 zur Erzeugung einer Bezugsspannung und eine Schaltung 45 zur Erzeugung eines im wesentlichen konstanten Stromes enthält, die eine Steuerklemme 46 aufweist, die die Veränderung des die Widerstandselemente 24 und 26 durchfließenden Gleichstromes ermöglicht, wenn das gewünscht wird. Die an die Klemme 46 angelegte Steuerspannung wird mittels einer Schaltung 48 zur Erzeugung eines Steuerstromes aus dem an der Ausgangsklemme 21' der Verstärkerschaltung erscheinenden Ausgangsgröße abgeleitet. Vor-

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zugsweise ist der von der Schaltung 48 gelieferte Steuerstrom geglättet, so daß die erzeugte Änderung beträchtlich langsamer erfolgt als die Änderungen in dem veränderlichen Ausgangssignal an den Klemmen 21', 22'. Ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Glättung ist beispielsweise als ein Kondensator 50 dargestellt. Der Gleichspannungspegel am Ausgang der Verstärkerschaltung bildet eine wesentliche Komponente bei der Entwicklung eines Steuerstromes zur Änderung des den elektromagnetischen Wandler 14 durchfließenden Gleichstromes zur Verbesserung der Charakteristik des Wandlers und um das veränderliche Ausgangssignal im linearen Teil der Kennlinie der Verstärkerschaltung zu halten.

Fig. 3 ist das Schaltbild einer einfachen elektronischen Schaltung zur automatischen Einstellung des Gleichstromes. Gleiche Bezugszeichenbezeichner sehr ähnliche elektronische Schaltungen. Zur Erläuterung ist eine Zelle 52 oder eine Batterie mit einem Wert, der im wesentlichen gleich der Offsetspannung V-ist, in der Eingangsschaltung des ersten Verstärkers 41 dargestellt. Der Gleichstrom fließt über die Klemme 11, das Schichtwiderstandselement 24, das durch ein Magnetfeld veränderbare Widerstandselement 26, die Klemme 12, den Kollektor-Emitterkreis einer Halbleiterschaltung, die hier als eine Darlington-Schaltung der Transistoren 54, 55 dargestellt ist und über einen Emitterwiderstand 56. Eine Steuerspannung zur Bildung des Steuerstromes wird mittels eines Differenzverstärkers 60 entwickelt, der als Vergleichsschaltung dient, die mit der Ausgangsklemme 21' für das veränderliche Ausgangssignal und der Klemme 62 einer Spannungsquelle 62, 64 verbunden ist, die eine feste Bezugsspannung liefert. Die Ausgangsklemme der Verstärkerschaltung 60 ist über ein Tiefpaßfilter 66, das hier als aus einem Serienwiderstand 68 und einem Parallelkondensator 50 * bestehend dargestellt ist, mit der Steuereingangsklemme 46* ; verbunden. Im Betrieb vergleicht der Verstärker 41 die Span- \ nung zwischen den Klemmen 11, 12 mit der durch die Zelle 52 !

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dargestellten Offsetspannung und verstärkt die Differenz. Diese Differenz V_u „ - V_rt_ wird durch die Verstärker 42 und 43 weiter-

M-K Uo

verstärkt und erscheint an den Ausgangsklemmen 21', 22'. Diese verstärkte Spannung wird mit der festen Bezugsspannung verglichen und ebenfalls durch den Verstärker 60 verstärkt. Die am Ausgang des als Vergleichsschaltung dienenden Verstärkers 60 erhaltene Ausgangsspannung steuert direkt den Gleichstrom durch den Wandler 14. Das Rückkopplungsnetzwerk dient dazu, die Differenz-Eingangsspannung für den ersten Verstärker 41 sehr niedrig zu halten. Dies wird bei der Schaltung gemäß der Erfindung durch Einstellen des Gleichstroms durch die Widerstandselemente 24 und 26 erreicht, um den Spannungsabfall des Wandlers an den Klemmen 11, 12 gleich der durch die Zelle 52 dargestellten Offsetspannung zu machen. Für eine Offsetspannung von beispielsweise 0,04 Volt, wird der Gleichstrom I_D durch das Rückkopplungsnetzwerk auf 1,5 Milliampere für

einen Wandler mit 26 Ohm eingestellt. In ähnlicher Weise beträgt der Gleichstrom 1,11 Milliampere für einen Wandler mit 36 Ohm und 0,78 Milliampere für einen Wandler mit 46 Ohm. In allen drei Fällen besitzt das veränderliche Ausgangssignal des Wandlers an den Klemmen 11, 12 den Wert k χ 40 Millivolt oder 0,9 Millivolt + 11 %. Die Verstärkerschaltungen 41 ... 42, sind direkt mit dem Wandler gekoppelt, wodurch die Notwendigkeit und auch der nachteilige Einfluß eines üblichen Kopplungskondensators eliminiert wird. Dies wird durch die Art und Weise bewerkstelligt, in der das Rückkopplungsnetzwerk angeordnet ist, um den Gleichstromarbeitspunkt für die Verstärkerkette festzulegen .

Fig. 4 zeigt ein vollständiges Schaltbild einer auf einem Halbleiter plättchen realisierten und in der Praxis geprüften Schal-j tung. Sehr ähnliche Schaltungsteile sind durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet und Schaltungsteile, die sich bis zu ieinem gewissen Grad voneinander unterscheiden, aber doch im

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wesentlichen ähnlich sind, sind durch Bezugszeichen mit hochgesetztem Strich gekennzeichnet. Die Gleichspannung, die vorher durch die Schaltung 44 bezeichnet wurde, wird hier in einer Schaltung 44' erzeugt, die einen Transistor 70 und drei Widerstände aufweist. Drei in Kaskade geschaltete Transistoren 74, 75 und 76 bilden die Steuerschaltung 45*. Die als Vergleichsschaltung dienende Verstärkerschaltung 60* enthält die Transistoren 80 und 82, wovon der letztere einen Lastwiderstand 84 besitzt. Die am Lastwiderstand 84 erscheinende Ausgangsspannung wird über den Widerstand 78' der Steuereingangsklemme 46' zugeführt. Die Spannungsquelle für den Steuerstrom besteht wie beschrieben aus den Transistoren 74, 75 und 76. Der Widerstand 78 dient hauptsächlich dazu, den Strom durch die letzteren Transistoren zu begrenzen. Ein Kondensator 50' bildet ein RC-Filter mit dem Lastwiderstand 84. Die gewählten Werte ergeben eine Periode von vier Sekunden, was 0,04 Hz entspricht. Die hohen Impedanzen im Kollektorkreis des Transistors 82 ergeben das beschriebene Filter. Die Offsetspannung V__c wird erzeugt durch Speisen der beiden Eingangstransistoren 86 und 88 mit verschiedenen Emitterströmen. Zwei Transistoren 90 und 92, die Konstantstromquellen angehören, liefern einen Strom von 52 Mikroampere bzw. 230 Mikroampere an die beiden Eingangstransistoren, so daß diese unterschiedliche Basis-Emitterspannungen aufweisen. Die Differenz dieser Basis-Emitterspannungen beträgt 38,5 Millivolt, welcher Wert die Offsetspannung für die dargestellte Schaltung ist.

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/fs

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Signale eines elektromagnetischen Wandlers und zur Vorspannungserzeugung für den Wandler, gekennzeichnet durch eine Kaskade aus Differenzverstärkern (41, 42, 43; Fig. 3) zur Verstärkung der Differenz aus der Spannung des Wandlers und der Offsetspannung der Kaskade, deren Ausgang mit einer Steuerschaltung (60, 66, 45') verbunden ist, deren zweiter Eingang an ein festes Potential und deren Ausgang an die eine Klemme des Wandlers angeschlossen ist und diesem eine Vorspannung zuführt, die proportional zur Ausgangsspannung der Verstärkerkaskade ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Vorspannung erzeugt, bei der der Wandler im linearen Bereich seiner Kennlinie arbeitet.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerkaskade im linearen Bereich ihrer Kennlinie arbeitet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs-Differenzverstärker (41'; Fig. 4) der Verstärkerkaskade zwei Eingangstransistoren (86, 88) aufweist, deren Basis-Emitter-Ubergänge zur Kompensation der Offsetspannung nicht übereinstimmen.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerkaskade und die Steuerschaltung so ausgelegt sind, daß die Temperaturdrift der Kaskade aufgrund der Nichtübereinstimmung der beiden Eingangstransistoren kompensiert wird.

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6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Steuerschaltung durch einen weiteren, als Vergleicher dienenden Differenzverstärker (60, Fig. 3) gebildet wird.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine steuerbare Konstantstromquelle (45·) enthält, die mit dem Wandler in Reihe liegt und deren Eingang über ein Tiefpaßfilter (66) mit dem Ausgang des weiteren Differenzverstärkers verbunden ist, während ihr Ausgang an eine Klemme des Wandlers angeschlossen ist, deren zweite mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist.
8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ein Tiefpaßfilter mit sehr niedriger Grenzfrequenz enthält.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle ein Transistorpaar (54, 55) in Darlington-Schaltung enthält.

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