硬盤制造商面臨的持續(xù)挑戰(zhàn)是提供連續(xù)性以相同（或更低）成本提高存儲容量的新產(chǎn)品流。提供提供更高容量和更低成本的驅(qū)動器的主要方法是通過增加每個盤片的面密度來增加存儲容量。從歷史上看，面密度以每年約30％的速度得到改善。然而，最近，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在轉(zhuǎn)向新的趨勢線，將增長率提高到每年60％以上。

HDD設(shè)計人員采用各種技術(shù)和技術(shù)來滿足面密度目標(biāo)：介質(zhì)，磁頭技術(shù)，記錄調(diào)制和磁頭定位公差的改進(jìn)。本文討論了記錄調(diào)制技術(shù)的關(guān)鍵因素以及它如何與系統(tǒng)中使用的磁頭類型相匹配。磁盤驅(qū)動器中的記錄調(diào)制/解調(diào)由“讀取通道處理器”實現(xiàn)。

讀取通道處理器是什么以及它做什么：

讀取通道處理器可以看作是一個復(fù)雜的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它將弱模擬信號（代表數(shù)字信息）從磁盤驅(qū)動器頭轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。在過去幾年中，使用部分響應(yīng)，最大似然（PRML）架構(gòu)，包含在讀通道IC中的信號處理功能在性能和復(fù)雜性方面顯著提高。 PRML彌補了傳統(tǒng)峰值檢測脈沖提取與通信系統(tǒng)中使用的更高性能最大似然信號檢測方案之間的差距，包括調(diào)制解調(diào)器，數(shù)字VCR等.1

在磁盤驅(qū)動器應(yīng)用程序中，“通信通道”包括：

• 將二進(jìn)制（0,1）用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電磁線圈中電流極性變化的發(fā)送器（寫頭）。
• 傳輸通道，由磁盤組成，磁盤存儲信息作為磁化方向的變化。
• 讀取模擬信號的接收器來自磁盤并處理它以恢復(fù)原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

在今天的磁盤驅(qū)動器中，讀通道處理器實現(xiàn)了智能發(fā)送器/接收器功能 - 不包括傳感器（寫頭，寫入驅(qū)動器電子設(shè)備）和傳感器（讀頭，讀前置放大器）電路。

脈沖識別問題：

磁盤上的磁轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為電壓脈沖，輸出端的極性交替出現(xiàn)讀頭傳感器。讀取通道中的隔離轉(zhuǎn)換（對應(yīng)于磁化的階躍變化）可以通過洛倫茲脈沖（圖1）近似，由下式給出：

其中PW50是介于兩者之間的時間振幅為其峰值的50％的點。當(dāng)磁化改變方向時，信號達(dá)到峰值。用戶能夠通過讀/寫通道傳送信息的數(shù)據(jù)速率可以通過用戶比特“T”之間的時間間隔來表征。對于給定的脈沖寬度，目標(biāo)是將比特打包得更近，即增加PW50 / T比率，這被稱為用戶比特密度。

峰值檢測與PRML：

在較低位密度下，相鄰脈沖之間的相互作用相對較小，接收器可以通過峰值檢測器實現(xiàn)（參見模擬對話22- 1988年1月1日）。通過利用微分器對信號進(jìn)行操作，然后使用過零比較器來檢測在回讀信號中表示二進(jìn)制“1”的峰值。比較器輸出由幅度限定電路門控，當(dāng)輸入讀取信號幅度低于某個閾值時，該電路禁用數(shù)字輸出脈沖。

峰值檢測器的操作在時間上是連續(xù)的，并由僅輸入信號。業(yè)界首款完全集成的“峰值檢測”讀取通道由ADI公司推出，采用AD899系列產(chǎn)品.2峰值檢測仍用于讀取伺服信息（頭部定位），作為伺服數(shù)據(jù)限定符<在某些現(xiàn)今產(chǎn)品中。

但隨著存儲密度的增加，相反極性的相鄰脈沖之間相互作用的增加會產(chǎn)生破壞性干擾。為了使峰值檢測器正確工作（即，具有低誤碼率），必須消除這種符號間干擾（ISI）以及所得到的幅度減小和峰值偏移。相反，部分響應(yīng)（PR）信令（其中鄰域中的每個脈沖在確定給定位置中脈沖的存在或不存在的過程中部分地貢獻(xiàn)）接受受控量的干擾（相鄰脈沖之間的取消）。使用離散時間（采樣）信號處理技術(shù)，最可能（ML =最大似然）脈沖系列不斷更新。

在部分響應(yīng)通道的各種類和順序中，相互之間的數(shù)量選擇符號干擾（信號消除），使得當(dāng)相鄰脈沖干擾時，在采樣實例處僅產(chǎn)生一組有限的離散幅度。在PR4信令中，允許存在+1,0,1，1個標(biāo)稱采樣值，隔離脈沖被整形（通過連續(xù)和離散時間濾波器），并且調(diào)整采樣時鐘相位，使得只有兩個+1，+ 1或-1，接收-1個采樣值;在所有其他時間，樣本為零。

當(dāng)磁盤上的兩個磁轉(zhuǎn)換最接近時，相應(yīng)的回讀樣本（+ 1，-1）部分抵消，并且相鄰脈沖值的結(jié)果采樣為+1,0，-1。 （可以說每個轉(zhuǎn)換都是中間0樣本的部分原因。）在高階部分響應(yīng)系統(tǒng)中，如增強型PR4（EPR4），允許兩個以上轉(zhuǎn)換引起的脈沖響應(yīng)干擾，產(chǎn)生大量可能的樣本值（例如，對于EPR4情況，+ 2,1,0，-1，-2）。

MR頭：

除了存儲密度由于采用復(fù)雜的信號處理技術(shù)所帶來的改進(jìn)，磁盤驅(qū)動器容量的驚人增長率很大程度上是由于使用了磁阻（MR）讀頭，它們正在迅速取代其感應(yīng)對應(yīng)物。到目前為止，已經(jīng)生產(chǎn)了超過5000萬個磁頭，這個數(shù)字可能與今年相當(dāng)。

MR讀頭采用各向異性磁阻（AMR）原理將5 A / m（奧斯特）的磁場變化轉(zhuǎn)換為電阻變化約2.5％。此外，繼續(xù)研究GMR（巨型MR），其產(chǎn)生的靈敏度是AMR的5倍。這允許驅(qū)動器設(shè)計者將更多位打包到給定的表面區(qū)域，或者放寬其他設(shè)計約束以提高其他地方的性能。 [注意：甚至在生產(chǎn)驅(qū)動器中實施GMR之前，CMR（巨型 MR）的開發(fā)工作正在順利進(jìn)行; CMR有望比GMR有顯著的改進(jìn)。]傳感器本身是一層薄膜（約250？）的Ni-Fe（鎳鐵），也稱為坡莫合金，只是少數(shù)幾個每側(cè)μm。 MR元件電阻的調(diào)制表現(xiàn)為前置放大器輸出端的差分電壓擺幅（20-200 mV峰峰值）;然后交流耦合到讀通道處理器輸入（圖2）。

MR磁頭不對稱：

MR磁頭技術(shù)解決了與感應(yīng)磁頭相關(guān)的許多問題例如來自盤片的信號幅度對其旋轉(zhuǎn)速度的依賴性。但MR負(fù)責(zé)人為磁盤驅(qū)動器設(shè)計人員帶來了許多新的挑戰(zhàn)。其中一個問題是當(dāng)MR磁頭偶爾接觸磁盤表面時電阻率的變化。這種接觸導(dǎo)致溫度突然升高，導(dǎo)致持續(xù)時間（約10μs）的電壓瞬變;對于讀通道，它顯示為具有長尾的大直流偏移。

另一個值得關(guān)注的問題是由于偏置和磁頭偏離軌道位置導(dǎo)致的MR傳感器的非對稱非線性傳遞函數(shù)。不對稱的讀取波形損害了伺服和讀取通道的性能。此外，非對稱信號的交流耦合通過引入直流偏移和/或依賴于圖案的基線偏移和瞬態(tài)來解決問題。

通過考慮讀通道芯片設(shè)計中的MR頭相關(guān)問題，像ADI公司這樣的半導(dǎo)體廠商可以為磁盤驅(qū)動器電子產(chǎn)品增加重要價值。這在ADRS1xx系列中有所體現(xiàn)。

產(chǎn)品特性：

ADRS1xx系列中的器件具有多種信號處理功能和選項。它們?yōu)樽钕冗M(jìn)的磁盤驅(qū)動器提供了完整的信號處理解決方案，尤其是當(dāng)MR技術(shù)與PRML處理相結(jié)合時。電路模塊采用CMOS工藝，可以及時交付經(jīng)濟高效的半定制芯片。

圖3是典型ADRS1xx讀通道芯片的框圖。各種連續(xù)和離散時間濾波器實現(xiàn)了脈沖減薄的低通噪聲濾波和頻率增強的必要組合。具有兩個可獨立編程的零的7階等波紋濾波器，結(jié)合模擬或數(shù)字5抽頭自適應(yīng)FIR濾波器，對PR4目標(biāo)執(zhí)行低通濾波和回讀信號均衡。在量化過程發(fā)生之前，在采樣模擬域中整形模擬信號的選項可以消除量化噪聲的增強，并減少A / D轉(zhuǎn)換器中所需的有效位數(shù)（ENOB）。

專利的雙模擬/數(shù)字自動增益控制（AGC）環(huán)路與混合鎖相環(huán)（H-PLL）串聯(lián)，負(fù)責(zé)調(diào)整讀取信號的幅度和采樣實例。采集和跟蹤期間的增益切換具有PLL中的可編程阻尼因子，可確保輕松優(yōu)化環(huán)路動態(tài)。此外，在模擬前端使用有源偏移消除，以及用戶激活的鉗位功能（交流耦合網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)減少），可以顯著縮短偏移瞬態(tài)（熱粗糙）的恢復(fù)時間。

A / D轉(zhuǎn)換器：

ADC是全閃存型，6位，144 MSPS（每秒兆次采樣），內(nèi)置專利MR磁頭不對稱校正。使用ADC的增益校正和/或直流偏移校正消除了MR磁頭不對稱性;每個ADRS1xx都提供寄存器來存儲用戶編程的校正碼。在具有多個盤片和多個MR頭的較大磁盤驅(qū)動器中，每個盤片的校正碼存儲在驅(qū)動器上以進(jìn)行即時切換。

PR4和EPR4 Viterbi檢測器實現(xiàn)最大似然檢測（PRML）。與峰值檢測器做出連續(xù)不可撤銷的決定，一點一點，關(guān)于峰值是否大于某個固定閾值，最大似然檢測器將信號樣本序列與所有可能的組合進(jìn)行比較，并選擇與接收信號序列匹配的最佳可能性組合。 。維特比檢測器以遞歸方式執(zhí)行最大似然檢測，即，通過在每個“比特時間”執(zhí)行一些計算。基于先前的信號樣本動態(tài)調(diào)整一組閾值，并與最新的信號樣本進(jìn)行比較（美國專利5,373,400）。

這些暫定（軟）決策中的每一個都可以并且將在如果附加信號樣本表明先前的決定是錯誤的，則在稍后時間（在可用內(nèi)存的限制內(nèi)）。

使用Windows軟件的評估板：

評估套件的可用性簡化了部件的實驗室實驗和表征。該套件包括National Instruments的LabView ^?軟件，用于評估ADRS120的旋轉(zhuǎn)支架或獨立測試。評估板插入運行Windows ^?的486（或奔騰級）PC的并行端口。該板提供操作ADRS1xx系列任何成員所需的所有組件。

參考電路

1. 參見“Keiji Kanota等人1990年的數(shù)字VCR高密度記錄技術(shù)”。 IEEE Transactions on Consumer Electronics ，第36卷，第3期。< / li>
2. 請參閱 模擬對話 26-2，第21-22頁。另請參閱1992年IEEE ISSCC的會議記錄：Kovacs ，J。和W. Palmer，“用于磁盤驅(qū)動器應(yīng)用的32 Mb / s完全集成讀通道。”