CN1160706C - 电子磁致电阻传感器偏磁电路 - Google Patents

Abstract

一种磁致电阻传感器偏磁技术，它对一种产品提供一致的传感器偏磁。这种技术提供传感器恒定功率耗散偏磁、恒定传感器电流密度偏磁、恒定传感器偏磁电压、恒定传感器温升偏磁和传感器的恒定有效磁偏置。

Description

电子磁致电阻传感器偏磁电路

本发明是有关磁致电阻(MR)传感器偏磁的。尤其是，本发明有关磁致电阻传感器偏磁的方法和电路。

为便于描述本说明书起见，术语“磁致电阻(MR)传感器”和“MR磁头”都包括了任何一种磁致电阻元件，它通过检测由磁场变化而产生的元件电阻Rs的电阻变化值来检测磁场的变化。还为了便于描述本说明书起见，术语MR传感器和MR磁头都不限制于磁记录元件。被有意限于这两个术语范围内的磁致电阻传感器的实施例包括但不限于风雹磁极磁致电阻(barber pole MRs)、双磁致电阻(dualMRs)、软近层磁致电阻(soft adjacent layer MRs)、差分磁致电阻(differential MRs)、自旋阀磁致电阻(spin valve MRs)、隧道结磁致电阻(tunnel junction MRs)或巨磁致电阻(giant MRs)。

磁致电阻传感器是一种在能量方面无源的传感器，它使用传感电流(或电压)来检测信号电压或信号电流形式的传感器电阻的变化。此传感电流还将为传感器提供全部或部分的磁偏置，此磁偏置是MR传感器正常工作所需的。本公开说明书不区别是传感还是偏磁电流(或电压)。此术语(MR传感器)偏磁电流和电压在本公开中自始至终是通用的。与MR传感器有关的偏磁和读出电子电路，通常称为臂电子(AE)模块(armelectronic module)。

MR传感器的物理特性是由所使用的材料、MR传感器夹层结构和传感器大小尺寸来决定，其中大小尺寸指的是传感器的厚度、高度和长度。在用作磁记录的外露的MR传感器中，有最大的公差的尺寸是传感器的高度h。这一尺寸的公差是用作补偿磁头磨损和磁带磁头的搭接，和用作磁盘驱动器磁头的ABS(美国广播系统)搭接。

图1(a)表示形成总MR磁头电阻R_H中的各不同电阻之间的物理关系。图1(b)表示了电阻R_H的电模型图。从AE模块的10和11端子测出总MR磁头电阻R_H。在图1(a)中，MR磁头和AE模块表示为磁盘驱动器12的一部分。总MR磁头电阻中随着磁场变化而变化的部分是传感器电阻R_S，所引起的变化阻值用ΔR_S表示。电阻R_S与传感器的高度h成反比地变化。总的磁头引线电阻R_l是AE模块预放大端连线的电阻和MR磁头中后引线(back lead)BL的电阻。最后，MR磁头的总的前引线电阻表示为R_f。电阻R_f也与传感器的高度h成反比地变化。然而对于变化磁场，R_f未表现出信号变化。等式(1)到(4)用符号表示法表达了这些原则。

R_H＝R_l+R_f+R_s                        (1)

R_f，R_s∝l/h                         (2)

h＝传感器的高度，                   (3)

和

R_s＝R_so±ΔR_s(传感器信号)           (4)

在图1(a)和图1(b)中以及在以下的整个公开中，偏磁电流I_B等于磁头偏磁电流I_H。电压V_H是总MR磁头电阻R两端的偏磁电压。电压V_B是出现在传感器电阻R_S和前引线电阻R_f两端的偏磁电压。电压V_s是传感器电阻R_s两端的偏磁电压。高度h是传感器的物理高度。

有三种提供MR传感器偏磁的惯用的方法：一种是恒定偏磁电流方案；一种是恒定偏磁电压方案；一种是为了获得恒定偏磁电压的调节偏磁电流方案。当涉及偏磁方案时使用的术语“恒定”表示在制造公差范围内各传感器间的偏磁不变性。对惯用的恒定偏磁电流方案，在产品的生产过程中AE模块把相同的偏磁/传感DC电流加在所有的MR磁头上，而不考虑MR磁头的各个磁头电阻、传感器高度等参数的值的不同。图2(a)和图2(b)说明在惯用的恒定偏磁电流I_B方案中，传感器电阻R_H不同时的MR磁头偏磁条件的例子。例如，如果图2(a)中的I_B是10mA，那么图2(b)表示随着R_H在20与50欧姆之间变化，磁头偏磁电压V相应地在200与500mV之间变化。

对惯用的恒定偏磁电压方案，AE模块把相同的偏磁/传感DC电压加在一种产品的所有MR磁头上。图2(c)和图2(d)说明在惯用的恒偏磁电压V方案中，传感器电阻R_H不同时，MR磁头的可作范例的偏磁条件。例如，如果图2(d)中传感器电阻R_S两端的偏磁电压V_B是500mV，那么图2(c)表示通过MR磁头的偏磁电流I_H与总磁头电阻R_H成反比。

1994年5月3日授予Cahalan的美国专利5,309,294公开了电压偏磁电路，此电路为MR磁头提供恒定偏磁电压。根据Cahalan，电压偏磁电路包括调零电路，它调节电压偏磁电路的输出。调零电路有效地按照某数量值增加电压偏磁电路的输出，此数量值约等于出现的所有寄生电缆电阻上的电缆压降。Cahalan电路使用电阻性元件来产生调零电压，此电阻性元件的阻值是寄生电缆的阻值的估计值。然而，这种方法不能补偿MR磁头内出现在后引线两端的任何电压降。

在惯用的为了获得恒定偏磁电压的调节偏磁电流方案中，通过在制造期间把MR磁头的偏磁电流调节成与MR磁头电阻R成反比，来获得上恒定的MR磁头偏磁电压。一定要在制造期间测量电阻R_H值。

这些惯用的MR磁头偏磁方案中，没有一个方案能够补偿在生产过程中MR磁头物理特性的变化，具体地说，传感器尺寸的公差。结果，典型的情况是，通过惯用的偏磁方案偏磁的MR磁头的操作状态并不处于或并不接近于磁头最佳工作状态。此外，一种产品各MR磁头间的磁特性的一致性一般是不可能达到的，此一致性就是尽管有制造公差而各个磁头的磁特性有较小的差异。

本发明的一个目的是提供一种MR磁头的偏磁方案，这种方案通常考虑到MR传感器在制造过程中出现的物理特性差异，具体地说，在制造过程中出现的磁头物理公差。在这点上，本发明为MR磁头的工作处于或接近于MR传感器工作的最佳状态创造了条件，并且，尽管有制造公差范围内的物理差异，也能获得各磁头之间的比通常偏磁方案更一致的磁特性。

本发明的另一个目的是提供一种传感器的偏磁方案，此方案并不依赖于磁头电阻R_H的测量。因此，本发明的一个目的是使用“磁头模型”，它基于磁头引线电阻R_l和出现在总磁头电阻R_H中传感器电阻R_S部分的偏磁电压V_B，它与传感器的高度h成正比并随着磁数据信号而变化。另外，本发明的一个目的是使用受控电流源在MR传感器中获得恒定的电流密度J和获得MR传感器的恒定温升，尽管传感器高度h有变化。结果，为一种产品的所有磁头提供相对于根据电迁移和相互扩散设定的极限的最大允许偏磁。本发明的一个目的是，将本发明的MR传感器偏磁方案和信号电流检测(低输入阻抗)读回放大器(|Zin|＜＜R_H)一起使用，以及和信号电压检测高输入阻抗读回放大器(|Zin|＜＜R_H)一起使用。

为了达到这些和别的目的，本发明的一个实施例提供了一种偏磁电路，它为MR传感器产生偏磁电流I_B和偏磁电压V_H。偏磁电压V_H是流过MR传感器总电阻R_H的偏磁电流I_B所产生的电压，其中总电阻R_H是传感器电阻R_S、总磁头引线电阻R_l和总前引线电阻R_f的总和。本发明的实施例包括了乘法器、比较器、控制器和电流发生器。乘法器有第一和第二输入端，其中第一输入端接收有关偏磁电流IB的第一信号，第二输入端接收有关偏磁电压V_H的第二信号。乘法器产生正比于产品第一和第二信号乘积的乘积信号。比较器把乘积信号和参考信号比较，形成控制信号，其中参考信号与MR传感器所消耗的预定偏磁功率P_B成正比。控制器通过控制偏磁电流I_B和偏磁电压V_H两者中的一个或两者一起来响应控制信号，结果便能把MR传感器所消耗的偏磁功率P_B控制到预定值。所述控制器最好通过控制电流发生器以产生偏磁电流I_B来响应控制信号。

根据本发明，乘法器包括电流阱(sink)电路和差分放大器。电流阱(sink)电路的一个输入端接收第二信号，对此信号作出响应，电流阱(sink)电路产生正比于偏磁电压V_H的输出电流。差分放大器有输入端和输出端，并且被电流阱(sink)电路的输出电流所偏磁。差分放大器的输入端接收第一信号，因而，差分放大器的输出端的输出信号正比于偏磁电流I_B与偏磁电压V_H。更明确地说，电流阱电路包括第一晶体管和第一电阻，第一晶体管有第一、第二和第三节点。第二信号耦合到晶体管的第一节点。第一电阻接到第一晶体管的第二节点和第一电源节点之间。差分放大器包括第二和第三晶体管，以及第二和第三电阻。第二和第三晶体管各有第一、第二和第三节点，其中第一信号耦合到第二和第三晶体管各自的第一节点之间。第二和第三晶体管各自的第二节点耦合到第一晶体管的第三节点。第二电阻连接在第二晶体管的第三节点和第二电源节点之间，而第三电阻连接在第三晶体管的第三节点与第二电源节点之间。差分放大器的输出出现于第二晶体管的第三节点和第三晶体管的第三节点之间。比较器最好是一个耦合到第二晶体管的第三节点和第三晶体管的第三节点的加法器电路。加法器电路把与参考信号有关的预先确定的电流信号与差分放大器的输出相加。

本发明的另一实施例提供了一种磁致电阻(MR)传感器的偏磁电路，其中，传感器规定为具有总电阻R_H。电阻R_H包括传感器电阻R_S、引线电阻R_l和前引线电阻R_f。偏磁电路包括传感器等效电路、差分传感电路、以及第一和第二电流源。传感器等效电路包括电压源和输入电阻。电压源有预先确定的电压，而输入电阻具有与MR传感器的引线电阻R_l有关的阻值。差分传感电路有第一和第二输入端，其第一输入端耦合到MR传感器，而第二输入端耦合到传感器等效电路。差分传感电路检测第一和第二输入上的电压差。第一电流源对差分传感电路作出响应，产生MR传感器的偏磁电流I_B。与此类似，第二电流源对差分传感电路作出响应，产生耦合到传感器等效电路的控制电流。根据本发明，控制电流正比于MR传感器的偏磁电流I_B，从而，使电压源上预先确定的电压等于出现在与前引线电阻R_f串联的传感器电阻R_S的预先确定的电压。

因为R_S和R_f均反比于传感器的高度h，所以，在R_S和R_f两端的恒定电压也就提供了R_S两端的恒定电压(即与传感器的高度无关)。

在第二实施例的一种配置中，差分传感电路包括第一和第二晶体管，它们中的每一个都有第一、第二和第三节点。第一晶体管的第一节点耦合到第二晶体管的第一和第三节点。第一晶体管的第二节点耦合到MR传感器。第二晶体管的第二节点耦合到传感器等效电路。第一电流源包括第三晶体管，它有第一、第二和第三节点。与上类似，第二电流源包括第四晶体管，它有第一、第二和第三节点。第三晶体管的第一和第三节点耦合到第四晶体管的第一节点，以便形成电流反射镜(mirror)。第三晶体管的第三节点耦合到第一晶体管的第三节点，而第四晶体管的第三节点耦合到第二晶体管的第三节点。对于功率的考虑，第一晶体管对第二晶体管的面积(area)比最好为N∶1，并且与此类似，第三晶体管对第四晶体管的面积(area)比最好是N∶1。

在第二实施例的另一配置中，第一电流源包括第一晶体管，它有第一、第二和第三节点，并且，与此类似，第二电流源包括第二晶体管，它有第一、第二和第三节点。第一晶体管的第一节点和第二晶体管的第一节点均耦合到差分传感电路的输出端。第一晶体管的第三节点耦合到MR传感器，并且，第二晶体管的第三节点耦合到MR传感器等效电路。本实施例的偏磁电路也包括一个输出电路，它有第一和第二输入节点和一个输出节点。输出电路的第一输入节点耦合到第一晶体管的第三节点，而输出电路的第二输入节点耦合到第二晶体管的第三节点。

在本发明的第二实施例的再另一种配置中，差分传感电路包括第一和第二晶体管，它们中的每一个都有第一、第二和第三节点。第一晶体管的第一节点耦合到第二晶体管的第一和第三节点。第一晶体管的第二节点耦合到MR传感器，第二晶体管的第二节点耦合到传感器等效电路。第一电流源包括第三和第四晶体管，它们中的每个都有第一、第二和第三节点。第三和第四晶体管各自的第二节点都耦合到第一晶体管的第三节点。第二电流源包括一个第五晶体管，它有第一、第二和第三节点。第三晶体管的第一节点耦合到第五晶体管的第一和第三节点，以便形成电流反射镜(mirror)，而第五晶体管的第二节点耦合到第二晶体管的第三节点。第一晶体管对第二晶体管的面积比最好为N∶1，并且，流进第四晶体管的第二节点的电流与流进第三晶体管的第二节点的电流与流进第五晶体管的第二节点的电流比为K∶L∶1，其中K+L等于N。

第二实施例的再另一配置包括电流传感电路和第三电流源。电流传感电路检测第一电流源产生的偏磁电流I_B，此偏磁电流用于在传感器电阻R_S两端产生预先确定的偏磁电压V_S。当用于预先确定的偏磁电压V_S的第一电流源产生的偏磁电流I_B小于预先确定的传感器偏磁电流时，第三电流源对电流传感电路作出响应，产生输出电流。第三电流源产生的输出电流耦合到传感器等效电路，并且与第二电流源产生的控制电流结合起来，形成联合控制电流。联合控制电流与MR传感器偏磁电流I_B有关，以至预先确定的MR传感器偏磁电流I_B流经传感器电阻R_S，产生一预先确定的传感器电阻R_S的有效磁偏置。

关于这种配置，差分传感电路最好包括第一和第二晶体管，它们中的每一个都有第一、第二和第三节点。第一晶体管的第一节点耦合到第二晶体管的第一和第三节点。第一晶体管的第二节点耦合到MR传感器，并且第二晶体管的第二节点耦合到传感器等效电路。第一电流源包括第三晶体管，它有第一、第二和第三节点，而第二电流源包括第四晶体管，它有第一、第二和第三节点。第三晶体管的第一和第三节点耦合到第四晶体管的第一节点，以便形成电流反射镜(mirror)。第三晶体管的第三节点耦合到第一晶体管的第三节点，而第四晶体管的第三节点耦合到第二晶体管的第三节点。

电流传感电路包括第五晶体管、第四电流源和放大器电路。第五晶体管有第一、第二和第三节点，其中第一节点耦合到第三节点。第四电流源耦合到第五晶体管的第三节点。放大器电路有第一输入端、第二输入端和输出端。放大器的第一输入端耦合到第三晶体管的第三节点。第二输入端耦合到第五晶体管的第三节点，并且放大器输出端耦合到第三电流源。

本发明的第三实施例提供了一种磁致电阻(MR)传感器的磁偏置电路。偏磁电路包括传感器等效电路、差分传感电路以及第一和第二电流源。差分传感电路有第一和第二输入端，其中第一输入端耦合到MR传感器，而第二输入端耦合到传感器等效电路。差分传感电路检测第一和第二输入端间的电压差。第一电流源对差分传感电路作出响应，产生MR传感器的偏磁电流I_B。第二电流源对差分传感电路作出响应，产生一控制电流，后者耦合到传感器等效电路。根据本发明，控制电流正比于MR传感器的偏磁电流I_B，从而，流过MR传感器的偏磁电流I_B在MR传感器的传感部分产生预先确定的有效磁偏置。

偏磁电路还包括电流传感电路和第三电流源。电流传感电路检测第一电流源产生的偏磁电流I_B，此偏磁电流用于在MR传感器的传感部分产生预先确定的有效磁偏置。当用于预先确定的偏磁电压V_S的第一电流源产生的偏磁电流I_B小于预先确定的传感器偏磁电流时，第三电流源对电流传感电路作出响应，产生输出电流。第三电流源产生的输出电流耦合到传感器等效电路，并且与第二电流源产生的控制电流结合起来，形成联合控制电流。联合控制电流与MR传感器偏磁电流I_B有关，使得预先确定的MR传感器偏磁电流流经传感器电阻R_S，产生预先确定的MR传感器的传感部分有效磁偏置。

差分传感电路最好包括第一和第二晶体管，它们中的每一个都有第一、第二和第三节点。第一晶体管的第一节点耦合到第二晶体管的第一和第三节点。第一晶体管的第二节点耦合到MR传感器，并且第二晶体管的第二节点耦合到传感器等效电路。第一电流源包括第三晶体管，它有第一、第二和第三节点。与此相似，第二电流源包括第四晶体管，它有第一、第二和第三节点。第三晶体管的第一和第三节点耦合到第四晶体管的第一节点，以便形成电流反射镜(mirror)。第三晶体管的第三节点耦合到第一晶体管的第三节点。第四晶体管的第三节点耦合到第二晶体管的第三节点。

电流传感电路包括第五晶体管、第四电流源、和放大器电路。第五晶体管有第一、第二和第三节点，其中第一节点耦合到第三节点。第四电流源耦合到第五晶体管的第三节点。放大器电路有第一输入端、第二输入端和输出端。放大器的第一输入端耦合到第三晶体管的第三节点。第二输入端耦合到第五晶体管的第三节点，并且放大器输出端耦合到第三电流源。

本发明的偏磁电路可以是MR/AE电路的一部分，而MR/AE电路又是盘驱动器的的一部分。

下面通过附图中的例子来说明本发明，但本发明不限于此，在这些图中，相同的标号代表相似的元件，其中：

图1(a)表示组成总MR磁头电阻R_H的各不同电阻之间的物理关系。

图1(b)表示电阻R_H的电模型的原理图。

图2(a)和2(b)说明在一般恒偏磁电流I_B方法情况下，MR磁头在不同传感器电阻R_H时的可作范例的偏磁条件；

图2(c)和2(d)说明在一般恒偏磁电压V_H方法情况下，MR磁头在不同传感器电阻R_H时的可作范例的偏磁条件；

图3(a)和3(b)说明在本发明的恒定偏磁功率P_B方法情况下，在不同传感器电阻R_H时的可作范例的偏磁条件；

图4(a)表示连接到臂(arm)电子模块的MR磁头原理方框图；

图4(b)表示根据本发明的MR磁头等效电路；

图4(c)和4(d)表示根据本发明的、具有负输入电阻的偏磁电压源的等效电路；

图5(a)-5(c)表示图4(d)的偏磁电路的等效电路原理方框图；

图6(a)和6(b)说明在本发明的恒传感器温升偏磁方法情况下，MR磁头的可作范例的偏磁条件；

图7(a)表示为达到恒有效磁偏置的理论偏磁条件；

图7(b)和7(c)表示根据本发明的、为达到恒定有效磁偏置的实际近似的偏磁条件；

图8(a)和8(b)说明根据本发明的MR磁头恒功率偏磁的一般概念的原理方框图；

图9表示根据本发明的对MR磁头提供恒功率偏磁的偏磁电路的原理方框图；

图10(a)表示根据本发明的对MR磁头的传感器电阻提供恒电压偏磁的电路的原理方框图；

图10(b)表示示于图10(a)的原理方框图的网络等效电路；

图11表示根据本发明的对MR磁头的传感器电阻部分提供恒电压偏磁的电路的另一原理方框图；

图12表示根据本发明的对MR磁头的传感器电阻部分两端提供恒电压的另一电路的原理方框图；

图13表示利用本发明的传感器偏磁方法的单端MR前置放大器的输入级的原理方框图；

图14表示利用本发明的传感器偏磁方法的单端MR前置放大器的输入级的另一原理方框图；

图15表示根据本发明的为MR磁头提供恒定有效磁偏置的电路的原理方框图；

图16(a)和16(b)表示根据本发明的恒定有效磁偏置方法的偏磁条件；

本发明提供MR磁头偏磁方案，所述方案利用五个彼此相关的方法中的一个，补偿磁头制造公差范围内的磁头与磁头之间的物理差别。第一种方法是对MR磁头电偏磁，以使磁头上的(电)功率耗散在磁头与磁头之间保持恒定，而不管由于制造公差造成的总磁头电阻R_H如何变化。这是通过令磁头两端DC电压V_H与流过磁头的DC电流I_H的乘积保持恒定来实现的。即

            V_HI_H＝P_B＝常数           (5)

其中，P_B为偏磁功率。

图3(a)和3(b)说明在本发明的恒定偏磁功率P_B方法情况下，MR磁头有不同总磁头电阻R_H时的可作范例的偏磁条件。图3(a)表示在恒定功率P_B偏磁情况下不同总磁头电阻R_H时的磁头电流I_H变化。图3(b)表示在同样恒功率P_B偏磁情况下，在总磁头电阻R_H变化时的磁头电压V_H变化情况。与一般的恒定偏磁电压方法相比，恒定偏磁功率方案的优点是，在恒定偏磁功率方案时，较大的传感器高度引起的磁头电流I_H增加不大。此外，恒定偏磁功率技术有利于避免传感器去磁效应在低的传感器高度时引起的偏磁不足的现象。这是因为在恒定偏磁功率P_B情况下，磁头电压并不保持恒定，而是对较高电阻的磁头，电压稍有提高。

本发明的第二偏磁方法是恒定MR传感器电流密度方案。在这偏磁技术下，MR传感器电流密度J_S保持恒定。这为一种产品的所有MR传感器工作在尽可能接近电迁移极限的状态创造条件。电迁移取决于电流密度，

            J_S＝V_S/ρl＝I_S/ht＝常数            (6)

其中  ρ＝传感器电阻率，

l＝传感器长度，

h＝传感器高度，

t＝传感器厚度，

V_S＝传感器两端电压，即MR传感器中对应于电阻R_S和对磁数据作出响应的部分，和

I_S＝流过传感器的电流(它等于流过整个MR磁头的电流I_H)。

传感器电阻由下式给出

            R_S＝ρl/ht                 (7)

因此，在传感器上的(电)功率耗散为

            P_S＝J_S ²ρlht               (8)

电功率耗散造成的传感器温升ΔT_S为

            ΔT_S＝P_S×R_thermal         (9)

其中R_thermal为传感器与环境间的热阻。

传感器的冷却借助于通过面向屏蔽的两个侧面的、离开传感器的热扩散来实现。这种通过表面冷却造成的热阻与传感器的高度h成反比。另一冷却机理是通过热扩散到传感器的引线。与此冷却机理有关的热阻也是反比于传感器的高度h。因此，在方程(9)中的热阻反比于传感器的高度h。

        R_thermal＝K/h               (10)

其中K为任意常数。因此

        ΔT_S＝J_S ²ρltK              (11)不再是传感器高度h的函数。结果，如果MR传感器的偏磁电路设计成恒电流密度J_S偏磁，则一种产品的所有MR传感器将工作在环境温度以上的相同温升ΔT_S下。

本发明的第三偏磁方法是提供恒定MR传感器偏磁电压V_S。在这方案中，对于一种产品的所有MR传感器，传感器两端的电压V_S，即MR传感器中对应于电阻R_S和对磁数据作出响应的部分的电压保持恒定。写出方程(12)

           P_S＝V_S ²/R_S＝V_S ²ht/ρl         (12)

结果

           ΔT_S＝V_S ²tK/ρl               (13)

对于恒定传感器电压偏磁，也可以得到一种产品的所有MR传感器有相同的传感器温升的结果。

利用

             I_S＝J_Sht＝V_S/R_S

传感器的电流密度J_S为

             J_S ＝V_S/ρl                 (15)

因此，如果V_S在一种产品的所有MR传感器中保持恒定，则J_S也在相同产品的磁头中保持恒定。这样，本发明的恒定MR传感器电流密度偏磁方案与本发明的恒定MR传感器偏磁电压方案是相同的。应该理解，恒定MR传感器电压偏磁与一般的整个MR磁头的恒定电压偏磁是不同的，后者没有恒定温升和恒定电流密度的优点。

本发明的第四个偏磁方案是恒定MR传感器温升偏磁方案。这种传感器偏磁技术使得一种产品的所有磁头有相同的(在传感器上的电偏磁功率耗散所造成的)温升。自然，这种偏磁方法与上面本发明的两种偏磁方法相同。因为恒定传感器温升偏磁、恒定传感器电流密度偏磁和恒定传感器电压偏磁全都与传感器的高度h无关，本发明的这三种偏磁方法全都能作为相同的情况来处理。因为

      R_H＝R_l+R_f+R_S                      (16)和

      R_f，R_S∝l/h                       (17)在前引线电阻R_f和传感器电阻R_S两端的，即在R_f+R_S两端的恒定电压偏磁也将在传感器上产生恒定电流密度，并且在一种产品的所有传感器上造成恒定的温升，而不管传感器的高度h如何。因此，在原则上，可获得恒定温升，如图4(a)-4(d)原理方框图所表示的那样。

图4(a)表示MR磁头、AE模块以及MR磁头与AE模块之间的导线W的原理方框图。图4(b)表示MR磁头与引线及导线的等效电路。根据本发明，MR磁头“看见”一个在AE模块输入端的具有负输入电阻的偏磁电压源。图4(c)表示等效偏磁电路，其中电压V_S是在MR传感器的传感器电阻R_S两端形成的电压。图4(d)表示等效偏磁电路，其中电压V_B是在MR传感器的传感器电阻R_S与前端引线电阻R_f两端形成的电压。示于图4(c)的、其输入电阻为-(R_f+R_l)的等效电路相当难实现，因为R_f∝l/h，并且与每个个别磁头有关。另一方面，R_l是相当恒定的。因此，示于图4(d)的具有偏磁电压V_B和输入电阻-R_l的等效电路，是为实现本发明的第二、第三和第四偏磁方案提供偏磁的偏磁电路的最佳实施方法。示于图4(d)的等效电路的负电阻-R_l抵消了MR磁头导线和引线的电阻R_l，并且有效地把偏磁电压V_B加到MR磁头的R_S+R_f两端。

图5(a)-5(c)是图4(d)的电路的等效电路模型。在图5(c)中，当I＝V_B/R_l时，电流源I和负输入电阻-R_l在MR磁头的R_S+R_f两端形成恒定的偏磁电压V_B，如图4(b)所示。图6(a)和6(b)表示在本发明的恒定传感器温升偏磁方案情况下，可作范例的偏磁条件。在图6(a)中，表示恒定传感器温升偏磁方案情况下，总MR磁头电阻R_H变化时传感器电流I_H的变化情况。图6(b)表示在相同的情况下，总MR磁头电阻R_H变化时，磁头偏磁电压V_H的变化曲线。图6(a)和6(b)的曲线用下式来描述：

         I_H＝V_B/(R_S+R_f)               (18)和

         V_H＝V_B+I_HR_l                  (19)

随着传感器的高度的减小，由于传感器顶缘和底缘的去磁效应，传感器上的恒定电流密度引起的有效磁偏置逐渐变小。在有相对小高度的传感器中，为获得恒定的有效磁偏置，本发明的第五偏磁方法提供逐渐增大的传感器电流密度，它由下面的多项近似式给出

        J_S＝(J_h0-J₀)(h₀/h)²。         (20)

图7(a)表示J_S的理论曲线。图7(b)和7(c)表示根据本发明的第五偏磁方案的、为恒定电流密度J_S提供实际可行的近似的偏磁条件。在低于与传感器高度h₀相对应的磁头电阻R_H0时，用能产生恒定磁头电流密度J_S的恒定偏磁电压来偏磁磁头。在大于R_h0时，磁头用恒定电流I_B来偏磁，这样，造成了传感器电流密度增加，此增量反比于传感器高度h而正比于传感器电阻R_S。

图8(a)和8(b)说明根据本发明的MR磁头恒定功率偏磁的一般概念的原理方框图。示于图8(a)和8(b)的电子电路包括乘法器件81，例如，熟悉的跨导乘法器，它有正比于I_B的第一输入信号和正比于V_H的第二输入信号。I_B和V_H是在AE模块的输入端处可以得到的信号。比较器83将来自乘法器81的积信号输出82与参考信号84作比较。信号84正比于MR磁头电阻R_H上耗散的所希望的偏磁功率P_B。比较器83输出控制信号85，该信号正比于积信号输出82与参考信号84之差，并且被用于控制偏磁电流I_B(图8(a))或用于控制磁头电压V_H(图8(b))，以便使乘积I_BV_H恒定。在图8(a)中，受控变量是I_B，而变量V_H通过方程V_H＝R_HI_B自动地与I_B发生联系。磁头电阻R_H不必是一个已知的值，即磁头与磁头之间可以互不相同。对于图8(b)，受控变量是V_H而变量I_B与V_H发生联系。

图9表示对MR磁头提供恒定功率偏磁的偏磁电路900的原理方框图。偏磁电路900包括由放大器901、晶体管902和电阻903组成的电流阱(sink)。该电流阱的输出电流正比于磁头电压V_H。如所示，放大器901的输出耦合到晶体管902的基极。晶体管902的发射极耦合到放大器901的反相输入端，并通过电阻903接到第一电源V_S1。放大器901的非反相输入端连接到偏磁电路900的输入端804。电路900的输入端905耦合到电源V_S1。MR磁头(R_H)连接在输入端子904和905之间。这样，出现在R_H两端的电压连接到电流阱的两端，并且控制晶体管902的集电极电流的大小。

晶体管906和907连接成第一差分放大器。即，晶体管906和907的发射极连接在一起，并耦合到晶体管902的集电极。晶体管906和907的基极分别耦合到电阻917的相对端。电阻917连接成使流过电阻917的电流就是流过端点904和流过R_H的偏磁电流I_B。晶体管906的集电极通过电阻908连接到第二电源V_S2，而晶体管907的集电极通过电阻909连接到第二电源V_S2。晶体管906和907的差分集电极电流正比于I_BV_H。

由晶体管910和911以及电流源913构成第二差分放大器。晶体管910和911的发射极连接在一起，并耦合到电流源913的一端。电流源913的另一端连接到第一电源V_S1。电流源913输出用于偏磁晶体管910和911的电流I₃。晶体管910的集电极耦合到晶体管906的集电极，而且晶体管911的集电极耦合到晶体管907的集电极。其大小与所希望的偏磁功率P_B成正比的参考电压V_ref加到晶体管910和911的基极之间，从而在晶体管910和911的集电极处产生被从晶体管906和907的差分输出电流中减去的恒定的差分电流。该恒定量的大小可以通过改变Vref来改变。虽然图9表示V_ref从外面加到电路900，但V_ref还可以做成恒定的，即做在电路900的内部，并且I₃可以做成能从外面使其与所希望的偏磁功率P_B成正比地变化，以适应有不同P_B要求的宽的产品范围。

晶体管906的集电极耦合到控制放大器914的反相输入端，而晶体管907的集电极耦合到控制放大器914的非反相输入端。放大器914的输出控制由晶体管916和电阻915组成的电流源。晶体管916和电阻915产生流过电阻917和流过磁头电阻R_H的偏磁电流I_B。在电阻917＜＜KT/qI_B和V_ref＜＜KT/q时，得到

        P_B＝V_HI_B＝I₃V_refR_l/R_S          (21)

其中，R_l和R_S分别为电阻903和917的阻值。

在本发明的恒定MR磁头偏磁电压方法情况下，只有总MR磁头电阻R_H的电阻R_S被恒定电压偏磁。如上所证明的那样，这个偏磁方案除了能达到传感器在环境温度以上的恒定温升外，还达到在传感器上的恒定电流密度J_S。如图4(a)-4(d)所示，恒定传感器偏磁可以用补偿磁头电阻的非传感器电阻部分，即引线电阻R_l和前引线电阻R_f，或较易做到的是，仅补偿引线电阻R_l(见图4(d))来实现。实现这一点的简单而恰当的方法示于图10(a)和10(b)。图10(a)表示根据本发明的提供恒定传感器电压偏磁的电路1000的原理方框图，而图10(b)表示示于图10(a)的原理方框图的网络等效电路1010。

在图10(a)中，图10(b)的具有负输入电阻-R_l和电压源V_B的网络等效电路1010配置成桥式电路1000。电路1000包括放大器1002，它检测总磁头电阻R_H与MR传感器模型或等效电路，即串有NR_l的电路1001的电压差。放大器1002调节两个电流源1003和1004，直到在放大器1002的两输入端检测到的电压差等于零为止。最好，电流源1003提供I_B，而电流源1004提供电流I_B/N，其中N选择为大于1，以便节省功率。可是，N可以根据其它考虑来选择。N的实际可行的值在5-20范围内。

图11表示对MR磁头的传感器电阻R_S部分提供恒定电压V_B的电路1100的原理方框图。电路1100包括连接成发射极跟随器的晶体管1101。晶体管1101的基-发射极电压被晶体管1102的基-发射极电压所抵消，后者的工作面积(area)最好比T₁晶体管1101的小N倍，以便节省功率。等效电路1001的电阻值NR_l按照N倍增大。晶体管1101最好是AE模块的读回放大器的输入晶体管。虽然在图11中没表示出来，但是在晶体管1101的集电极处探测读回信号。电容连接在晶体管1101和1102的基极与电源V_S2之间用于滤波。为了有较大的适应性，可在芯片外(off-chip)提供NR_l和V_B。由晶体管1103和1104构成电流反射镜，它连接成任何熟悉的电流反射镜结构(双FET反射镜等)，并且也按因子N缩放。这个电流反射镜迫使电流流过晶体管1101和1102，也流过R_H和模型1001，以便按因子N缩放。

图12表示对MR磁头的传感器电阻R_S部分两端提供恒定电压V_B的另一电路1200的原理方框图。电路1200配置成用于直接从MR磁头信号电压中探测出MR磁头读回信号。电路1200包括MR等效电路1001。放大器1201连接成能探测MR磁头两端出现的电压V_H与等效电路1001两端出现的电压的差。在这一点上，放大器1201的非反相输入端耦合到MR磁头，而放大器1201的反相输入端耦合到等效电路1001。放大器1201的输出端连接到晶体管1202和1204的基极，后者都配置成可控电流源。晶体管1202对晶体管1204的工作面积(area)比最好为N∶1，以便节省功率，也可以根据其它考虑来选择。电容1206连接在放大器1201的输出端与电源VS2之间，用于对从放大器1201来的控制信号输出进行滤波。

晶体管1202的发射极通过电阻1203耦合到电源V_S2。与此相似，晶体管1204的发射极通过电阻1205耦合到电源V_S2。晶体管1202的集电极耦合到MR磁头，而晶体管1204的集电极通过二极管1208和1209耦合到等效电路1001。电容1207连接到晶体管1204的集电极，用于滤波的目的。

电路1200包括由晶体管1211和1212组成的输出级。晶体管1212的基极耦合到晶体管1202的集电极。与上相似，晶体管1211的基极耦合到晶体管1204的集电极。晶体管1211的集电极通过电阻1210耦合到电源V_S2。所探测到的来自MR磁头的读回信号产生于接在端子1213和1214之间的电阻1210两端。

图13表示利用本发明的传感器偏磁方法的单端MR前置放大器的输入级电路1300的原理方框图。电路1300包括示于图11的电路1100。此外，具有等于2I_B/β的电流I_comp的电流源1304连接在电压源V_S2(例如+5V)与晶体管1103和1104的基极之间，其中β是晶体管1103的电流增益。MR磁头信号可在端点1310和1311处获得，并且可用下式描述：

$V_{\mathrm{OUT}}=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_h}{R_h}{V}_B\frac{R_c}{(r_{e1}+r_{e2})}\·------\left(22\right)$

包含放大器1305、电容1306、补偿二极管1307、电阻1308和晶体管1309的电流源用作流经电阻1303的偏磁电流I_B的“泄放”部分，从而使电阻1303可以有较大的阻值，例如450欧姆，以便获得较大的增益而又不引起晶体管的峰值储备问题。在电阻1303的阻值为450欧姆的情况下，电阻1308最好应有194欧姆的阻值，以便通过晶体管1309提供70％的I_B。电容1306最好为470pF。为了反映(to mirror)流过电阻1303的占偏磁电流I_B例如30％的电流，将串联二极管1301(自偏磁晶体管)与晶体管1302一起使用。可是，即使在泄放电流源中有补偿二极管1307，这种电路配置也能引起信号的畸变、偏移等等现象。

借助于电路1400来避免电路1300的与信号畸变有关的问题，如图14所示。电路1400是利用传感器偏磁方法的单端MR前置放大器的输入级，并且包括电路1100(图11)和泄放电流源(电路1300)。不过，对于电路1400，取消了电路1300的二极管1301和1307。选择电阻1303和1308有相同的阻值，例如450欧姆，从而使I_B的50％流过晶体管1103和50％流过晶体管1109。放大器1401耦合到由晶体管1103和1104组成的电流反射镜的两个发射极。放大器1401的输出耦合到晶体管1404的栅极。晶体管1404的源通过电阻1403耦合到电源V_S2。晶体管1404的漏耦合到晶体管1104的集电极。电容1402用于滤波。

在电路1400中，包含磁头等效电路1001的最右侧纵支路中补偿电流的大小可从输入晶体管1101上面的共射一共基(cascode)晶体管1103的基-发射极导出。放大器1401控制FET电流源，即晶体管1404，从而最右侧纵支路上的补偿电流是通过MR磁头的输入偏磁电流I_B的例如1/10。

在本发明的恒定有效磁偏置方案中，具有相对小磁头高度的MR传感器会偏磁在高于本发明的第二、第三或第四偏磁方案的偏磁电流密度的偏磁电流密度下。难以实现增加的电流密度理想曲线(图7(a))，因此，本发明提供图7(b)的近似曲线。近似方法实现了低阻磁头的恒定电压偏磁(图7(b))和高阻磁头的恒定电流偏磁(图7(c))。恒定V_B和恒定I_B曲线交点处在最小磁头电阻R_Hmin和最大磁头电阻R_Hmax之间，这就是在一种产品所遇到的情况，并且对应于给定的传感器高度h₀。

图15表示根据本发明的提供恒有效磁偏置的电路1500的原理方框图。电路1500包括图11的电路1100。电路1500对相对低的R_H值提供恒定传感器电压，在这种情况下，流过R_H和晶体管1101的磁头偏磁电流大到足以关断由晶体管1502和电阻1503构成的可控电流源。放大器1501的作用是将晶体管1504上的压降与晶体管1103(图中两者都接成二极管)上的压降进行比较。对于相当高的磁头电阻值R_H的情况，偏磁电流变得足够小，以至放大器1501把正向电压加到晶体管1502的基极。因此，晶体管导通并且电路1500向MR磁头提供恒定定电流偏磁。图16(a)和16(b)表示恒有效磁偏置电路1500的可作范例的MR磁头偏磁条件。交叉点由(参考)电流I₀和晶体管工作面积比N来决定。

所以，对于磁头电阻R_H足够大的情况

   I_B＞V_B/(R_H-R_l)，           (23)

磁头偏磁电流在数值I_B＝NI₀处保持恒定。

对于较低的磁头电阻R_H，偏磁电流I_B决定于

   I_B＝V_B/(R_H-R_l)             (24)

交叉点处的R_H值由下式给出

   R_h0＝V_B/(NI₀)+R_l           (25)

并且它可处在一种产品磁头电阻间隔范围内的任何值上

   R_hmin≤R_h0≤R_hmax          (26)

本发明的所有公开的实施例和偏磁电路的配置可以是MR/AE模块电路的一部分，而此模块又是盘驱动器的一部分。

虽然已结合例示的实施例描述了本发明，但应重视和理解：可能做出各种改变，而不超出本发明的真实精神和范围。

Claims (15)

1.一种为磁致电阻(MR)传感器产生偏磁电流I_B和偏磁电压V_H的电路，其特征在于该电路包括：

具有第一和第二输入端的乘法器，第一输入端接收与偏磁电流I_B成正比的第一信号，而第二输入端接收与偏磁电压V_H成正比的第二信号，此乘法器产生正比于第一和第二信号的积的积信号；

比较器，它把积信号与参考信号进行比较，产生控制信号，此参考信号正比于预先确定的、耗散在MR传感器上的偏磁功率P_B；和

控制器，它对控制信号作出响应，从而控制偏磁电流I_B和偏磁电压V_H中的一个，并且产生预先确定的、耗散在MR传感器上的偏磁功率P_B。

2.根据权利要求1的电路，其特征在于：偏磁电压V_H由偏磁电流I_B流过MR传感器的总电阻R_H产生，总电阻R_H是传感器电阻R_S、磁头引线总电阻R_l和前引线总电阻R_f的和。

3.根据权利要求2的电路，其特征在于：控制器既控制偏磁电流I_B又控制偏磁电压V_H。

4.根据权利要求2的电路，其特征在于：此电路进一步包括电流发生器，而控制器对控制信号作出响应，来控制该电流发生器，使之产生偏磁电流I_B。

5.根据权利要求4的电路，其特征在于：此电路是MR磁头/臂电子(AE)电路的一部分。

6.根据权利要求5的电路，其特征在于：MR磁头/臂电子(AE)电路是盘驱动器的一部分。

7.根据权利要求4的电路，其特征在于，所述乘法器包括：

电流阱电路，它有输入端和输出端，电流阱电路的输入端接收第二信号，产生正比于偏磁电压V_H的输出电流；和

差分放大器，它有输入端和输出端，差分放大器被电流阱电路的输出电流偏磁，差分放大器的输入端接收第一信号，而差分放大器的输出正比于偏磁电流I_B与偏磁电压V_H的积。

8.根据权利要求7的电路，其特征在于：电路进一步包括第一电源节点和第二电源节点，

其中电流阱电路包括：

有第一、第二和第三节点的第一晶体管，第二信号耦合到第一晶体管的第一节点；和

连接在第一晶体管的第二节点与第一电源节点之间的第一电阻；

其中差分放大器包括：

第二和第三晶体管，它们每个都有第一、第二和第三节点，第一信号耦合到第二和第三晶体管各自的第一节点，第二和第三晶体管各自的第二节点耦合到第一晶体管的第三节点，

第二电阻耦合到第二晶体管的第三节点与第二电源节点之间，和

第三电阻耦合到第三晶体管的第三节点与第二电源节点之间，

差分放大器的输出出现在第二晶体管的第三节点与第三晶体管的第三节点之间；和

其中比较器是加法电路，加法电路接在第二晶体管的第三节点与第三晶体管的第三节点处，加法电路把预先确定的电流信号与差分放大器的输出相加，预先确定的电流信号与参考信号有关。

9.磁致电阻(MR)磁头/臂电子(AE)电路，其特征在于包括：

磁阻传感器，磁阻传感器有流过传感器的偏磁电流I_B和在传感器两端出现的偏磁电压V_H；

具有第一和第二输入端的乘法器，第一输入端接收与偏磁电流I_B成正比的第一信号，而第二输入端接收与偏磁电压V_H成正比的第二信号，此乘法器产生正比于第一和第二信号的积的积信号；

比较器，它把积信号与参考信号进行比较，产生控制信号，此参考信号正比于预先确定的、耗散在MR传感器上的偏磁功率P_B；和

控制器，它对控制信号作出响应，从而控制偏磁电流I_B和偏磁电压V_H中的一个，并且产生预先确定的、耗散在MR传感器上的偏磁功率P_B。

10.根据权利要求9的电路，其特征在于：偏磁电压V_H由偏磁电流I_B流过MR传感器的总电阻R_H产生，总电阻R_H是传感器电阻R_S、磁头引线总电阻R_l和前引线总电阻R_f的和。

11.根据权利要求10的电路，其特征在于：控制器既控制偏磁电流I_B又控制偏磁电压V_H。

12.根据权利要求10的电路，其特征在于：此电路进一步包括电流发生器，而控制器对控制信号作出响应，来控制电流发生器，以便产生偏磁电流I_B。

13.根据权利要求12的电路，其特征在于：MR磁头/AE电路是盘驱动器的一部分。

14.根据权利要求12的电路，其特征在于：乘法器包括：

电流阱电路，它有输入端和输出端，电流阱电路的输入端接收第二信号，产生正比于偏磁电压V_H的输出电流；和

差分放大器，它有输入端和输出端，差分放大器被电流阱电路的输出电流偏磁，差分放大器的输入端接收第一信号，而差分放大器的输出正比于偏磁电流I_B与偏磁电压V_H的积。

15.根据权利要求14的电路，其特征在于：该电路进一步包括第一电源节点和第二电源节点，

其中电流阱电路包括：

具有第一、第二和第三节点的第一晶体管，第二信号耦合到第一晶体管的第一节点；和

连接在第一晶体管的第二节点与第一电源节点之间的第一电阻；

其中差分放大器包括：

第二和第三晶体管，它们每个都有第一、第二和第三节点，第一信号耦合到第二和第三晶体管各自的第一节点之间，第二和第三晶体管各自的第二节点耦合到第一晶体管的第三节点，

第二电阻，它耦合到第二晶体管的第三节点与第二电源节点之间，和

第三电阻，它耦合到第三晶体管的第三节点与第二电源节点之间，

差分放大器的输出出现在第二晶体管的第三节点与第三晶体管的第三节点之间；和

其中比较器是加法电路，该加法电路耦合到第二晶体管的第三节点与第三晶体管的第三节点，该加法电路把预先确定的电流信号与差分放大器的输出相加，预先确定的电流信号与参考信号有关。

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