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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Plattenlaufwerkschaltungen
und insbesondere auf eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren
zum Anlegen von Vorspannungen an eine Festplattenlaufwerkschaltung.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Eine
der interessantesten Entwicklungen der letzten Jahre in der magnetischen
Aufzeichnung auf Festplattenlaufwerken ist die Entwicklung von Magnetowiderstands-(MR)-Sensoren
oder -Köpfen.
Das Phänomen
der Magnetoresistenz ist seit langem bekannt. Der Grundeffekt ist,
dass dann, wenn ein Magnetfeld an ein MR-Material angelegt wird,
sich der Widerstand des Materials ändert. Dünnschichtstreifen aus Permalloy
weisen einen Magnetowiderstand zwischen zwei oder drei Prozent des
intrinsischen spezifischen elektrischen Widerstands des Materials auf.
Auf Grund des angesammelten Wissens und der Bedeutung des Magnetowiderstands
wurde eine Dünnschicht
aus Permalloy das bevorzugte Material bei der Entwicklung von MR-Sensoren
für Aufzeichnungsanwendungen.
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Herkömmliche
Magnetspeichervorrichtungen umfassen einen magnetischen Messwandler oder
Kopf, der in unmittelbarer Nähe
eines Aufzeichnungsmediums, beispielsweise einer Magnetplatte mit
einer Vielzahl konzentrischer Spuren, aufgehängt ist. Der Messwandler ist
durch eine flexible Aufhängung
unterstützt.
Während
des normalen Betriebs ergibt sich eine relative Bewegung zwischen
dem Messwandler und dem Aufzeichnungsmedium, wenn ein Stellglied
den Messwandler dynamisch über
der gewünschten
Spur positioniert.
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Das
Schreiben von Daten auf das Aufzeichnungsmedium wird typischerweise
ausgeführt,
indem ein Strom an eine Spule des Kopfes angelegt wird, so dass
in einem benachbarten magnetisch durchlässigen Kern ein Magnetfeld
induziert wird, wobei der Kern ein magnetisches Signal über einen
Zwischenraum der Platte überträgt, um ein
kleines Muster oder ein digitales Bit des Mediums in der Platte
zu magnetisieren.
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Das
Lesen von Informationen von der Platte wird durch Erfassen der Veränderung
des Magnetfelds des Kerns, wenn sich der Messwandler über die Bits
in der Platte bewegt, ausgeführt.
Das Verändern des
Magnetfeldes induziert in der induktiv gekoppelten Spule eine Spannung
oder einen Strom. Das Lesen der Informationen kann durch Verwendung
eines Magnetowiderstandskopfes, der einen Widerstandswert besitzt,
der sich in Abhängigkeit
von dem Magnetfeld in der Nähe
des Sensors ändert,
vollzogen werden. Mit diesen Köpfen
sind Leseschaltungen wie etwa ein Lese-Vorverstärker, der die aufgezeichneten
Daten verstärkt
und das Rauschen unterdrückt, verbunden.
Unter der Annahme, dass die Plattenspur bereits mit Daten beschrieben
ist, setzt die folgende Abfolge von Ereignissen diese in Anwenderbits
um: Zuerst wird der Kern des Kopfes, wenn sich die magnetischen
Pole in der Nähe
des Kopfspaltes vorbei bewegen, magnetisiert und zweitens führt die Änderung
des Magnetismus in dem Kern zu einem elektrischen Signal an der
Kopfspule. Diese elektrischen Signale werden anschließend verstärkt und
führen nach
einer Reihe weiterer funktionaler Schritte zu Nutzdaten, die für einen
Rechenprozessor bereitgestellt werden.
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Anfang
der 1970er Jahre wurden mehrere wichtige auf das Herstellen von
MR-Köpfen
bezogene Fragen wie beispielsweise verschiedene Verfahren zum Einrichten
von Vorspannungen und die Reduktion der Vorspannungs-Wiederherstellungszeit und
des Rauschens untersucht. Das Streben nach Speichervorrichtungen
mit höherer
Dichte hat zu einem verstärkten
Rauschen geführt.
Um das Rauschen zu verringern und den Rauschabstand zu verbessern,
können
Schaltungserwägungen
wie etwa Rauschreduzierungskondensatoren verwendet werden, jedoch
verlängern
die Rauschreduzierungskondensatoren auch die Vorspannungs-Wiederherstellungszeit.
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Ein
Problem bei gegenwärtigen
Plattenspeicherschaltungen ist die extreme Empfindlichkeit für elektrisches
Rauschen. Bei Plattenspeicherschaltungen ist das Signal relativ
klein, weshalb ein überlagertes
elektrisches Rauschen die Erfassung von Daten schwierig machen kann.
Um diesem Problem zu begegnen, werden Rauschreduzierungskomponenten
wie etwa Kondensatoren verwendet, um den Rauschabstand der Schaltungen
zu verbessern. Jedoch können
diese Kondensatoren auch die Vorspannungs-Ansprechzeit der Plattenspeicherschaltungen
verlängern
und deren Vorspannungs-Ansprechgeschwindigkeit herabsetzen. Daher
werden ein System und ein Verfahren zum Verkürzen der Vorspannungs-Ansprechzeit
bei jenen Schaltungen, die Rauschreduzierungskondensatoren verwenden, benötigt.
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US-A-6 057 972 und
US-A-5 534 818 offenbaren
beide frühere
Verfahren und Schaltungen zum Steigern der Ladestromstärke eines
solchen Kondensators.
US-A-6
057 972 verwendet einen Widerstand zum Erfassen des Ladestroms
von der Hauptstromversorgung. Wenn die an dem Widerstand erfasste
Spannung einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, wird eine Sekundärspannungsquelle
dazugeschaltet, um das Laden zu beschleunigen.
US-A-5 534 818 arbeitet in
einer ähnlichen
Weise, verwendet jedoch einen Komparator (
72), um die Spannung
an der Stromquelle mit der Spannung an dem Kondensator zu vergleichen.
Wenn die Differenz einen bestimmten Schwellenwert übersteigt,
wird eine Sekundärspannungsquelle
eingeschaltet, um das Laden zu beschleunigen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung, ein System und ein
Verfahren zum Verkürzen
der Vorspannungs-Ansprechzeit für
Vorverstärkerschaltungen,
die Rauschreduzierungskondensatoren verwenden. Das System verwendet
eine Schnellwiederherstellungsschaltung mit einem Ausgang, der wahlweise
geschaltet wird, um einen Knoten des Rauschreduzierungskondensators
funktional zu verbinden. Die Schnellwiederherstellungsschaltung
ist zu dem Rauschreduzierungskondensator elektrisch parallel geschaltet
und umfasst einen Schnellwiederherstellungswiderstand, einen Verstärker und
eine Spiegelstromquelle. Der Wert des Schnellwiederherstellungswiderstands
ist so gewählt,
dass er mit dem Widerstandswert des Referenzwiderstands der Vorverstärkerschaltung
genau übereinstimmt.
Die Spiegelstromquelle ist so beschaffen, dass sie den an der Stromquelle
der Vorverstärkerschaltung
vorgenommenen Einstellungen genau folgt. Der Ausgang des Verstärkers dient
als Rückkopplungsschleife
und ist mit einem Referenzknoten der Vorverstärkerschaltung elektrisch verbunden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile wird nun Bezug auf
die folgende genaue Beschreibung bestimmter besonderer und veranschaulichender
Ausführungsformen
und deren Merkmale und Aspekte genommen, und zwar lediglich beispielhalber
und mit Bezug auf die Figuren der begleitenden Zeichnung, worin:
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1 ein
Plattenlaufwerk-Massenspeichersystem des Standes der Technik zeigt;
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2 eine
Vorverstärkerschaltung
zeigt, die eine Schnellwiederherstellungsschaltung umfasst;
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3 ein
Zeitdiagramm darstellt, das Spannungshübe, die sich aus Stromeinstellungen
ergeben, zeigt; und
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4 ein
Zeitdiagramm darstellt, das eine Stromantwort, die sich aus Stromeinstellungen
ergibt, zeigt.
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Genaue Beschreibung der Erfindung
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Die
zahlreichen innovativen Lehren der vorliegenden Erfindung werden
mit besonderem Bezug auf die gegenwärtig bevorzugten beispielhaften
Ausführungsformen
beschrieben. Jedoch sollte klar sein, dass diese Klasse von Ausführungsformen
nur einige wenige Beispiele für
die vielen vorteilhaften Anwendungen der hier offenbarten innovativen
Lehren liefert. Allgemein grenzen Aussagen, die in der Spezifikation
der vorliegenden Anmeldung getroffen werden, nicht notwendigerweise
irgendeine der verschiedenen beanspruchten Erfindungen ab. Außerdem können einige
Aussagen für
manche erfinderischen Merkmale, jedoch nicht für andere, gelten.
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In
der Zeichnung und zunächst
in 1 ist ein Beispiel eines Plattenlaufwerk-Massenspeichersystems 10 des
Standes der Technik gezeigt. Das Plattenspeichersystem 10 umfasst
eine Plattenanordnung 12, eine Lese-/Schreibkopfanordnung 13, einen
Vorverstärker 14 und
weitere Schaltungen 15. Die Plattenanordnung 12 umfasst
eine Anzahl sich drehender Platten, die zum Speichern von Daten,
die als Magnettransistoren auf den Magnetplatten dargestellt sind,
verwendet werden. Die Lese-/Schreibkopfanordnungen 13 werden
dazu verwendet, Daten auf jeder Seite der Magnetplatten zu speichern
und von einer solchen wiederzugewinnen. Die Lese-/Schreibkopfanordnungen 13 können irgendeinen Typ
erhältlicher
Lese-/Schreibköpfe
wie etwa einen Magnetowiderstandskopf (MR-Kopf) umfassen. Die Vorverstärker 14 dienen
als Schnittstellen zwischen der Lese-/Schreibkopfanordnung 13 der
Plattenanordnung 12 und anderen Schaltungen und verschaffen
den Wellenform-Datensignalen nach Bedarf eine Verstärkung.
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Während Leseoperationen
werden von der Lese-/Schreibkopfanordnung 13 über den
Vorverstärker 14 analoge
Datensignale empfangen. Die Vorverstärkerschaltungen sind typischerweise
so entworfen, dass sie mehrere MR-Köpfe versorgen. Andere MR-Köpfe können in
einer Kascodenkonfiguration orientiert sein. Die Kascodenstufe und
andere Kopfeingangsstufen sind zugunsten der Klarheit weggelassen.
Bei einer Mehrfach.MR-Kopfanordnung wird der gemeinsame Abschnitt
der Schaltungsanordnung gemultiplext, damit nur der aktivierte oder
vorgespannte MR-Kopf liest. Bei Daten lesenden MR-Köpfen wird
die Vorspannung im Allgemeinen abgeschaltet, wenn der Kopf nicht
verwendet wird, um angesichts der Elektromigration die Langlebigkeit
zu steigern und den Energieverbrauch zu senken. Daher muss ein ausgewählter MR-Kopf,
um eine Leseoperation zu beginnen, zunächst korrekt vorgespannt sein,
bevor zuverlässige
Daten realisiert werden können.
Somit erhöht
das Verkürzen
der für
ein korrektes Einrichten von Vorspannungen erforderlichen Zeit die
Effizienz von Operationen.
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In 2 ist
nun eine allgemein bei 214 gezeigte Vorverstärkerschaltung
dargestellt, die eine Schnellwiederherstellungsschaltung 210 umfasst. Die
Vorverstärkerschaltung
umfasst einen Bipolartransistor 215, der einen Emitter,
einen Kollektor und eine Basis besitzt, wobei der Kollektor über einen
Signalwiderstand 220 mit einem Magnetowiderstandskopf 13 verbunden
ist, und der in Form eines Emitterwiderstands RMR 270 einen
Wirkwiderstand besitzt. Der RMR 270 liegt im Allgemeinen
im Bereich von 25 bis 65 Ohm. Eine Stromquelle oder ein Strom-Digital-Analog-Umsetzer 225 ist
mit einem Referenzwiderstand 230, der mit dem Signalwiderstand 220 parallel
geschaltet ist, seriell verbunden. Ein Verstärker 250 entwickelt
ein elektrisches Signal durch Spannungsvergleich an einem Referenzknoten 235 und einem
Signalknoten 240, an den von dem Verstärker 250 ein elektrisches
Signal ausgegeben wird, und entwickelt eine entsprechende Ladung
an einem Kondensator 260, die an den Transistor 215 eine
Vorspannung anlegt. Die Kapazität
des Kondensators 260 liegt im Allgemeinen im Bereich von
zwei bis vier Nanofarad.
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Die
Stromquelle 225 liefert an den Magnetowiderstandskopf oder
den RMR 270 einen Vorstrom bzw. Ruhestrom und einen Stromfluss,
der über
eine Reihe von Elementen reflektiert wird. Die Stromquelle 225 ist
so entworfen, dass sie etwa zwei bis zehn Milliampère liefert.
Jedoch sollte wegen der sich ergebenden Erwärmung und des übermäßigen Energieverbrauchs
kein großer
Strom durch den Signalwiderstand 220 fließen. Daher
sind die Werte des Referenzwiderstands 230 und des Signalwiderstands 220 in
einem solchen Verhältnis
gewählt,
dass der Strom durch den Signalwiderstand 220 nur einen
Bruchteil des Stroms der Stromquelle 225 und des Widerstands 230 beträgt. Beispielsweise
kann der Referenzwiderstand 230 auf etwa 8400 Ohm festgelegt sein
und der Signalwiderstand 220 auf etwa 420 Ohm festgelegt
(ein Verhältnis
von 20:1), wodurch der Strom durch den Signalwiderstand 220 auf
etwa ein Zwanzigstel des Stroms der Quelle 225 reduziert wird.
Andere Widerstandswerte können
ebenfalls so gewählt
sein, dass der erzeugte Strom durch den Signalwiderstand 220 in ähnlicher
Weise reduziert wird.
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Ein
Kernproblem bei der Übertragung
und Speicherung elektronischer Informationen ist das Rauschen. Im
Fall des Plattenspeichers ist das erzeugte Signal, das wiedergewonnenen
Daten entspricht, relativ klein, womit ein überlagertes Rauschen die Erfassung
von Daten schwierig machen oder zu unannehmbaren Fehlern führen kann.
Die allgemein anerkannte Metrik in der Industrie ist das Signal-Rausch-Verhältnis. Ein
höheres
Signal-Rausch-Verhältnis
führt zu
einem robusteren Laufwerk. Das Streben nach Speichervorrichtungen mit
höherer
Dichte hat zu einem verstärkten
Rauschen und zu einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis
geführt.
Um das Rauschen zu verringern und das Signal-Rausch-Verhältnis zu
verbessern, können Schaltungserwägungen wie
etwa Rauschreduzierungskondensatoren verwendet werden. Um das elektrische
Rauschen in dem Vorverstärker 214 zu reduzieren,
ist ein Kondensator (C2) 275 mit dem Referenzwiderstand 230 parallel
geschaltet. Beispielsweise sollte ein leistungsfähiger Rauschreduzierungskondensator
etwa 400 Picofarad haben. Obwohl der C2 275 das elektrische
Rauschen in der Schaltung reduziert, verzögert er auch die Vorspannungsreaktion
der Schaltung 214. Eine langsamere Vorspannungsreaktion
führt zu
einem langsameren Vorspannen des Magnetowiderstandskopfes und verlängert die
Zeitspanne, bis eine Sammlung zuverlässiger Daten möglich ist.
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In
die Vorverstärkerschaltung 214 ist
eine Schnellwiederherstellungsschaltung 210 eingesetzt. Die
Schnellwiederherstellungsschaltung 210 umfasst einen Schnellwiederherstellungswiderstand 212,
wovon eine erste Seite mit einem Knoten 216 verbunden ist
und eine zweite Seite an einem Knoten 217 mit einem Eingang
eines Einheitsverstärkungs-Verstärkers 218 verbunden
ist. Der Schnell wiederherstellungswiderstand 212 ist so
gewählt,
dass er einen Widerstandswert besitzt, der mit dem Widerstandswert
des Referenzwiderstands 230 genau übereinstimmt. Der Ausgang des
Einheitsverstärkungs-Verstärkers 218 ist
mit einem Referenzknoten 235 und außerdem in einer Rückkopplungsschleife
mit sich selbst verbunden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Schnellwiederherstellungsschaltung 210 außerdem einen
elektrischen Schalter 211. Bei einer anderen Ausführungsform
kann der Schalter 211 mechanisch betätigt sein. Über den Schalter 211 kann
die Schnellwiederherstellungsschaltung 210 wahlweise in
eine Betriebsverbindung mit der Vorverstärkerschaltung gekoppelt werden.
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Die
Schnellwiederherstellungsschaltung 210 umfasst außerdem eine
Stromquelle 219 und eine Strom-Digital-Analog-Vorrichtung
(DAC-Vorrichtung) die mit dem Knoten 217 elektrisch verbunden
ist. Die Stromquelle 219 der Schnellwiederherstellungsschaltung 210 ist
so entworfen, dass sie den Ausgang der Stromquelle 225 der
Vorverstärkerschaltung
spiegelt. Somit vergrößert oder
verkleinert sich jeder Stromquellen-Stromwert mit jeder Einstellung übereinstimmend
um jeweils den gleichen Betrag. Bei einer anderen Ausführungsform
können
die Stromquellen zu einer einzigen Stromquelle kombiniert sein.
Vorteilhafterweise ändert
sich dann, wenn der Strom durch die Spiegelstromquelle 219 vergrößert oder
verkleinert wird, die Spannung am Knoten 217 ohne Verzögerung entsprechend.
Diese unverzögerte Änderung
der in den Einheitsverstärkungs-Verstärker 218 eingegebenen
Spannung veranlasst, dass sich der Knoten 235 durch Steigerung des
Ladestroms in den Kondensator C2 schneller auflädt, womit die Vorspannungsreaktion
kürzer
wird.
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In 3 ist
ein Zeitdiagramm dargestellt, das die Spannungshübe, wenn der Vorstrom eingestellt oder
verändert
wird, zeigt. Eine erste Spannungsantwort 310 zeigt die
Vorspannungsreaktion, wenn der Strom bei einer Vorverstärkerschaltung
ohne die Schnellwiederherstellungsschaltung 210 von etwa
2 Milliampère
zu etwa 8,2 Milliampère
umgeschaltet wird, während
eine zweite Spannungsantwort 320 die Vorspannungsreaktion
bei Verwendung der Schnellwiederherstellungsschaltung 210 zeigt.
An etwa der bei t1 gezeigten 20-Mikrosekundenmarke wird eine Stromeinstellung
vorgenommen. Die erste Spannungsantwort 310 steigt zu Beginn
auf eine Spannung von über
0,8 Volt an und fällt
nach und nach mit der Zeit auf den bei der Zeit t2 gezeigten endgültigen Wiederherstellungspunkt
oder Ruhepunkt um 0 Volt ab. Da während dieser Spannungshubperiode
der MR-Kopf 13 nicht zuverlässig dazu verwendet werden
kann, Daten von der Speichervorrichtung 12 zu sammeln,
muss zugelassen werden, dass die Schaltung zur Zeit t2 zur Ruhe
kommt, bevor die Datensammlung beginnt.
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Bei
Verwendung der Schnellwiederherstellungsschaltung 210 weist
die zweite Spannungsantwort 320 ebenfalls eine anfängliche
Spannungsspitze von über
0,8 Volt auf, jedoch erfolgt vorteilhafterweise die Wiederherstellung
oder das Zurruhekommen dank der von dem Einheitsverstärkungs-Verstärker 218 verschaffte
Stromverstärkung nahezu
sofort. Somit kann der MR-Kopf 13 viel schneller dazu verwendet
werden, Daten von der Speichervorrichtung zu sammeln. Da größere oder ausgedehnte
Spannungshübe
den Energieverbrauch und die Erwärmung
der funktionalen Vorrichtungen steigern, senkt die Verwendung der
Schnellwiederherstellungsschaltung 210 außerdem die
Kosten des Energieverbrauchs und/oder erhöht die Betriebslebensdauer
der Vorrichtungen.
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In 4 ist
nun ein Zeitdiagramm dargestellt, das eine Stromantwort durch den
MR-Kopf 13 zeigt. Zu Beginn wird durch die Stromquelle 225 ein Strom
von etwa fünf
Milliampère
auf etwa 2,1 Milliampère
abgesenkt. Eine erste Stromantwort 410 zeigt eine Stromantwort
ohne die Schnellwiederherstellungsschaltung 210, während eine
zweite Stromantwort 420 eine Stromantwort unter Verwendung der
Schnellwiederherstellungsschaltung 210 zeigt. Die erste
Stromantwort 410 zeigt eine allmähliche Abnahme auf das 2,1-Milliampère-Ziel,
die ab der Vornahme der Stromeinstellung etwa 13 Mikrosekunden benötigt, um
zur Ruhe zu kommen. Die Zeit, um zur Ruhe zu kommen, ist als Zeit
gewählt,
die benötigt
wird, um etwa 95 Prozent des Ziel-Strompegels zu erreichen. Mit
der Hinzufügung
der Schnellwiederherstellungsschaltung 210 zeigt die zweite
Stromantwort 420 eine schnelle Abnahme auf das 2,1-Milliampère-Ziel,
die nach der Stromeinstellung nur etwa zwei bis drei Mikrosekunden
benötigt,
um zur Ruhe zu kommen. Somit ergibt sich eine Reaktionsverbesserung
von etwa 10 Mikrosekunden, was ungefähr eine 80%-ige Senkung der
Wiederherstellungszeit bedeutet.
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Anschließend wird
die Stromquelle 225 auf ein Ziel von etwa 8,4 Milliampère erhöht, wobei
die erste Stromantwort 410 wiederum etwa 13 Mikrosekunden
benötigt,
um auf den neuen Zielstrom anzusprechen. Mit der Hinzufügung der
Schnellwiederherstellungsschaltung 210 zeigt die zweite
Stromantwort 420 eine schnelle Abnahme auf das 8,4-Milliampère-Ziel,
bei einer Reaktionszeit von etwa zwei bis drei Mikrosekunden. Diese
schnelle Wiederherstellung ermöglicht
ein schnelleres Ansprechen des C2 275 zum Steuern von Änderungen
der Stromquelle 224, womit sich die Zeit, um nach einer
Stromeinstellung zur Ruhe zu kommen, verkürzt. Folglich kann der MR-Kopf 13 mit
der Hinzufügung
der Schnellwiederherstellungsschaltung 210 viel schneller
eingesetzt werden, um zuverlässige
Daten von dem Speichermedium wiederzugewinnen.
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Obwohl
eine bevorzugte Ausführungsform der
Vorrichtung, des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
in der begleitenden Zeichnung gezeigt und in der vorangehenden genauen
Beschreibung beschrieben worden ist, ist die Erfindung selbstverständlich nicht
auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt,
sondern für
zahlreiche Neuanordnungen, Modifikationen und Substitutionen, ohne
vom Leitgedanken abzuweichen, geeignet.