DE69317185T2 - Verstärker-Schaltungsanordnung für magnetoresistives Element - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung zur Vorspannung und Verstärkung von Signalen von Magnetsensoren.
• In US-A-5 270 882 "Low-Voltage, Low-Power Amplifier For Magnetoresistive Sensosr", veröffentlicht am 14. 12. 93, werden rauscharme Niederleistungs- und Niederspannungs-Verstärkerschaltungen mit einseitigem Eingang und ohne Gleichtaktunterdrückung zur gleichzeitigen Vorspannung und Verstärkung von Signalen, die von magnetoresistiven (MR) Sensorelementen in einem Plattenspeichersystem erzeugt werden, beschrieben. Die Verstärkerschaltungen besitzen eine einzige (geerdete) Versorgungsspannungsquelle. Die Kopf-/Platteneinheit des Plattenlaufwerks ist vollständig in einer hochleitfähigen, elektrostatisch abgeschirmten Metallkapsel eingeschlossen, die als Faradayscher Käfig wirkt und die Leitungen, die die MR-Elemente mit der Verstärkerschaltung verbinden, vor starken transienten Spannungsänderungen mit kurzer Anstiegs- /Abfallzeit zu isolieren.
• Diese Schaltungen funktionieren bei Versorgungsspannungen von nur 4,5 Volt sehr zufriedenstellend. Es besteht jedoch ein Bedarf an Verstärkerschaltungen mit Konfigurationen, die nicht nur einen einseitigen Eingang besitzen, um die Gleichtaktunterdrükkung zu eliminieren und eine einzige (geerdete) Versorgungsspannung zu verwenden, wie in US-A-5 270 882 beschrieben, sondern auch den Betrieb mit Versorgungsspannungen von nur drei Volt ermöglichen. Der Grund hierfür ist, daß jetzt NR-Sensoren zur Verwendung mit batteriebetriebenen Speichervorrichtungen der unteren Preisklasse wie z.B. Festplattenlaufwerke für Laptops und Preisklasse wie z.B. Festplattenlaufwerke für Laptops und Notebooks, vorgeschlagen werden. Solche Vorrichtungen erfordern Armelektronik-Module (AE-Module) mit extrem geringer Leistungsaufnahme und Versorgungsspannungen von weniger als 4,5 Volt.
• Die vorliegende Erfindung liefert deshalb eine Verstärkerschaltung zum Anschluß an mindestens einen magnetoresistiven Sensor, die eine Vorspannungsstufe, eine Verstärkungsstufe und eine Anpassungsstufe enthält, die alle auf eine gemeinsame Versorgungsspannungsquelle und die Erde bezogen sind; wobei
• (i) die Vorspannungsstufe eine Referenzspannungsquelle zur Vorspannung des magnetoresistiven Sensors mit einem konstanten Strom und damit zur Entwicklung eines unsymmetrischen Spannungssignals mit einer ersten Gleichstromkomponente enthält,
• (ii) die Verstärkungsstufe dazu dient, das unsymmetrische Spannungssignal in ein verstärktes unsymmetrisches Ausgangsspannungssignal mit einer zweiten Gleichstromkomponente, in dem aber die erste Gleichstromkomponente eliminiert ist, umzuwandelt, und
• (iii) die Anpassungsstufe dazu dient, eine Vorspannung zu erzeugen und diese an die Verstärkungsstufe anzulegen, um das unsymmetrische Ausgangsspannungssignal in ein differentielles Ausgangsspannungssignal umzuwandeln, in den die zweite Gleichstromkomponente eliminiert ist.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
• Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Verstärkerschaltung in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
• Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Verstärkerschaltung in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Typischerweise verstärkt die Verstärkerschaltung die von MR- Sensorelementen erzeugten Signale und legt eine Vorspannung an. Die Schaltung besteht aus einer Vorspannungsstufe, einer Verstärkungsstufe und einer Anpassungsstufe, die alle auf eine gemeinsame Erde und eine gemeinsame Versorgungsspannungsquelle bezogen sind.
• Die Verstärkerschaltung ist in eine Datenspeichervorrichtung mit einem magnetischen Datenträger eingebaut und dient zur Verstärkung von Signalen, die von magnetischen Sensorelementen wie magnetoresistiven Elementen kommen.
• Die Vorspannungsstufe enthält eine Referenzspannungsquelle zur Vorspannung des NR-Elements mit einem konstanten Strom. Die Verstärkungsstufe wandelt ein unsymmetrisches Ausgangsspannungssignal in ein differentielles Ausgangsspannungssignal um, ohne daß eine Rückkopplungsschaltung benötigt wird. Ein Gegenkopplungswiderstand in der Verstärkungsstufe und ein Koppelwiderstandspaar in der Anpassungsstufe regeln die Verstärkung der Verstärkungsstufe und/oder verhindern die Sättigung der Verstärkerschaltung. Die Verstärkungsstufe enthält vorzugsweise einen zwischen die Vorspannungsstufe und die Erde geschalteten Trennwiderstand, um eine Sättigung der Verstärkungsstufe zu verhineine Sättigung der Verstärkungsstufe zu verhindern und die Empfindlichkeit der Verstärkerschaltung gegenüber dem durch vagabundierende Erdströme bedingten Rauschen in der Nähe der Leitungen, die das MR-Element mit der Verstärkerschaltung verbinden, herabzusetzen.
• Solche Schaltungen funktionieren bei Versorgungsspannungen von nur drei Volt zufriedenstellend und ermöglichen Kopfwechsel, geringes Rauschen, programmierbaren Vorspannungsstrom sowie programmierbaren Verstärkungsgrad.
• Die hier beschriebenen Verstärkerschaltungen arbeiten außerdem bei Versorgungsspannungen von nur ca. drei Volt zufriedenstellend, wenn sie in den Vorverstärkungsschaltungs-Teil eines Niederspannungs-NR-Armelektronikmoduls integriert sind.
• In Fig. 1 ist eine Verstärkerschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Verstärkerschaltung kann als Vorverstärkerschaltung für mehrere MR-Sensorelemente (die sog. Köpfe) in einem Plattenspeichersystem eingesetzt werden. Die Verstärkerschaltung verstärkt Signale von einem ausgewählten MR-Kopf, um die Erkennung eines vom betreffenden Kopf von einer Speicherplatte 12 gelesenen elektrischen Signals zu erleichtern. Die Verstärkerschaltung legt auch eine Vorspannung an den ausgewählten Kopf an und schaltet selektiv zwischen den Köpfen um. Zur Vereinfachung sind nur zwei MR- Köpfe R1 und Rn dargestellt.
• Die Verstärkerschaltung besteht aus einer Vorspannungsstufe A, einer Verstärkungsstufe B und einer Anpassungsstufe C, die alle auf eine gemeinsame Versorgungsspannungsquelle Vcc und eine gemeinsame Erde bezogen sind. Die Vorspannungsstufe A spannt den ausgewählten MR-Kopf (wobei im folgenden angenommen wird, daß es sich dabei um R1 handelt) mit einem vorgeschriebenen Vorspannungsstrom Ib von einer Stromquelle J1 vor. Dieser Vorspannungsstrom Ib stammt vorzugsweise von einer Bandabstands-Referenzspannung in einem Siliziumchip, die durch einen Präzisions-Referenzwiderstand (nicht dargestellt) in den Vorspannungsstrom umgewandelt wird. Die Vorspannungs-Stromquelle J1 und alle anderen Stromquellen in der Verstärkerschaltung können im Standby-Betrieb vorübergehend ausgeschaltet werden, wie den Stellungen der Schaltarme der Schalter SON und S1N in Fig. 1 zu entnehmen ist. Schalter SON steuert die Verbindung der Köpfe mit Stromquelle J1, Schalter S1N die Verbindung der Köpfe mit der Verstärkungsstufe B.
• Auf diese Weise wird am ausgewählten NR-Kopf R1 eine Vorspannung Vb aufgebaut, die das Produkt aus dem Vorspannungsstrom Ib und dem Dauerwiderstand (d.h. Gleichstromwiderstand) von Kopf R1 ist. An NR-Kopf R1 wird auch ein Spannungssignal aufgebaut, wenn er durch die Spannung Vb vorgespannt wird, und beim Lesen der Daten von Platte 12 werden Nagnetflußumkehrungen erkannt. Die Vorspannung Vb und das Vorspannungssignal liegen am Knoten Vin an einem Ende von NR-Kopf R1 an, wenn das andere Ende des Kopfes mit der Erde verbunden ist. Wenn die Vorspannungsstufe A mit der Verstärkungsstufe B verbunden ist, ist das andere Ende von Kopf R1 zwangsweise die Wechselstromerde, hat also 0-Potential. Damit hat der Knoten Vin das 1-Potential, wo das zu verstärkende Spannungssignal liegt.
• Die Verstärkungsstufe B besitzt zwei Verstärkungsschaltungen. Die erste Verstärkungsschaltung besteht aus einer Eingangsvorrichtung Q0, einer Eingangs-Vorspannungsquelle J2, einem ersten Lastwiderstand R2, einem Kondensator C1 und vorzugsweise auch noch einem Trennwiderstand R0. Der Zweck dieser ersten Verstärkungsschaltung ist die Eliminierung der Gleichstromkomponente Gleichstromkomponente des Spannungssignals am Ausgang der ersten Verstärkungsschaltung und die Bestimmung des Niederfrequenzpunktes (-3dB) der Verstärkerschaltung Ein Schalter S22N hält im Standby-Betrieb eine Spannung am Kondensator C1, indem vorübergehend Kondensator C1 vom Rest der Schaltung abgekoppelt wird.
• Das Eingangselement Q0 kann ein bipolarer PNP-Transistor sein, wobei die Basis mit dem Knoten Vin, der Kollektor mit dem Lastwiderstand R2 und der Emitter mit der Stromquelle J1 und mit dem Kondensator C1 verbunden ist. Die Stromquelle J2 dient zur Bereitstellung eines Vorspannungsstroms für das Eingangselement Q0. Das Produkt aus dem Vorspannungsstrom und dem Transistor- Alpha führt dazu, daß ein Teil des Stroms aus der Stromquelle J2 durch den Widerstand R2 fließt. Der größte Teil des Vorspannungsstroms von der Stromquelle J2 fließt durch den Lastwiderstand R2.
• Der Trennwiderstand R0 kann dazu verwendet werden, eine leichte Erhöhung des Gleichstrompotentials an Vin zu bewirken. Diese Erhöhung an Knoten Vin hat den wünschenswerten Effekt, die Sättigung des Eingangselements Q0 zu verhindern und die Empfindlichkeit gegenüber durch vagabundierende Erdströme verursachtem Rauschen in der Nähe der Leitungen, die den MR-Kopf mit der Vorverstärkerschaltung verbinden, zu minimieren. Die Verwendung des Trennwiderstands R0 kann jedoch das Gesamtpotential des MR- Kopfes relativ zur Systemerde erhöhen und dadurch die negativen Effekte eines leitenden Unebenheitsstroms zwischen dem exponierten magnetoresistiven Streifens des MR-Kopfes und dem leitenden Substrat der Magnetplatte 12 verstärken.
• Der Widerstand C1 eliminiert das Rauschen von der Stromquelle J2 und das Rauschem vom Trennwiderstand RO in der relevanten Bandbreite (d.h. der Bandbreite des am NR-Kopfes entwickelten Spannungssignals). Die Verstärkung der ersten Verstärkungsschaltung Spannungssignals). Die Verstärkung der ersten Verstärkungsschaltung ist das Verhältnis des Widerstandswertes von Widerstand R2 über den äquivalenten Emitterwiderstandswert, der berechnet wird, indem das Verhältnis der thermischen Spannung über dem Emitterstrom herangezogen wird, der die Stärke des Stroms von Stromquelle J2 hat.
• Falls gewünscht, kann das Eingangselement Q0 aber auch ein Anreicherungs-PFET sein, wobei das Gate an den Knoten Vin, der Drain an den Widerstand R2 und die Source an die Stromquelle J2 und den Kondensator C1 angeschlossen ist. Wie zuvor dient die Stromquelle J2 dazu, einen Vorspannungsstrom für das Eingangselement Q0 bereitzustellen. Nun fließt jedoch der gesamte Vorspannungsstrom von Stromquelle J2 durch den Lastwiderstand R2. Um eine Sättigung des Eingangselements Q0 zu verhindern, kann der Trennwiderstand R0, wie weiter oben beschrieben, dazu verwendet werden, das Gleichstrompotential an Vin geringfügig zu erhöhen; diese Verwendung kann aber die bereits erwähnten unerwünschten Wirkungen haben. Kondensator C1 eliminiert wie zuvor das Rauschen von der Stromquelle J2 und das Rauschen vom Trennwiderstand R0 in der relevanten Bandbreite.
• Wenn die Eingangsvorrichung Q0 ein PFET ist, ist der Verstärkungsfaktor der ersten Verstärkungsschaltung proportional zum Widerstandswert des Widerstands R2 und dem Durchgangsleitwert des Elements Q0. Dieser Durchgangsleitwert ist proportional zum Drain-Strom von Quelle J2 und dem Verhältnis Breite:Länge des PFET.
• Die in der ersten Verstärkungsschaltung benötigte niedrige Frequenzdämpfung kann anhand der RC-Zeitkonstante des Kondensators C1 und des äquivalenten Widerstandswertes am Emitter, falls Q0 ein bipolarer Transistor ist, oder am Drain, falls Q0 ein PFET ist, berechnet werden.
• Die zweite Verstärkungsschaltung besteht aus einem zweiten Lastwiderstand R3, einem Gegenkopplungswiderstand R4, einem Kopplungselement Q2 und einem Ausgangselement Q3. Das Kopplungselement Q2 verschiebt den Pegel des verstärkten Spannunssignals am Widerstand R2 zu einem Ende des Verstärkungs-Gegenkopplungswiderstands R4. Das Ausgangselement Q3 verstärkt die verschobene Version der verstärkten Signalspannung am anderen Ende des Gegenkopplungswiderstands R4, wo sie als Ausgangssignal an einem Ende des zweiten Lastwiderstands R3 erscheint. Die Verstärkung durch die zweite Verstärkungsstufe kann als Verhältnis des Widerstandswertes von R3 zu dem effektiven Emitter/Gegenkopplungs- Widerstandswert Re berechnet werden. Der Widerstandswert Re ist die Summe der Widerstandswerte des Gegenkopplungswiderstands R4 und der Emitter der Transistoren Q3 und Q2. Außerdem wird das Ausgangselement Q3 an seiner Basis durch eine Anpassungsspannung Vm von der Anpassungsstufe C vorgespannt.
• Die Anpassungsstufe C wandelt das unsymmetriesche Ausgangssignal der Verstärkungsstufe B in ein differentielles Signal um, das für eine weitere Signalverarbeitung geeignet ist. Die Anpassungsstufe C ist mit der Verstärkungsstufe B verbunden und angeglichen; d.h., zahlreiche Stromquellen und Elemente in beiden Schaltungen sind aneinander angeglichen. Diese Anpassung geschieht durch Plazierung kritischer Schaltelemente in räumlicher Nähe zueinander und Skalierung oder Anpassung dieser Elemente und kritischen Stromquellen, z&sub0;8&sub0; Stromquelle J3 in der Anpassungsstufe C mit Stromquelle J2 in der Verstärkerstufe B.
• Der Begriff "Anpassung" soll hier entweder eine direkte Angleichung der Ströme oder Spannungen in den Stufen B und C oder eine Verhältnisbeziehung zwischen diesen Strömen oder Spannungen bezeichnen.
• Die Anpassungsstufe C besteht aus einer Referenzspannungsschaltung, einer Dummy-Schaltung und einer Anpassungsspannungsschaltung. Die Referenzspannungsschaltung besteht aus der angepaßten Stromquelle J3 und einem Referenzspannungs-Widerstand R7. Die Stromquelle J3 erzeugt eine Referenzspannung Vr am Widerstand R7. Diese Referenzspannungsschaltung hat den Zweck, am Widerstand R7 der Anpassungsschaltung C die Spannung zu verdoppeln, die am Widerstand R2 der Verstärkungsstufe B zu sehen ist. Es sind also nicht nur die genannten Ströme eng aneinander angepaßt, sondern auch die Widerstandswerte von R7 der Anpassungsstufe und von R2 der Verstärkungsstufe sind aneinander angepaßt, um sicherzustellen, daß die Referenzspannung Vr die richtige Stärke hat, um schließlich eine Anpassungsspannung Vm zu erzeugen.
• Wenn das Eingangselement Q0 in der Verstärkungsstufe B ein FET ist, wird in der Referenzspannungsschaltung kein Dummy-Element benötigt. Ist das Eingangselement Q0 jedoch ein bipolarar Transistor, so muß die Referenzspannungsschaltung auch ein bipolares Dummy-Element Q1 enthalten. Dieses Dummy-Element ist erforderlich, weil ein bipolarer Transistor als Eingangselement Q0 einen Vorspannungsstrom an seiner Basis benötigt und deshalb nicht der gesamte Strom von der Stromquelle J2 am Widerstand R2 der Verstärkungsschaltung B ankommt. Das Dummy-Element soll also die richtige Referenzspannung Vr gewährleisten, indem der Strom von J3, der am Widerstand R7 der Anpassungsstufe C ankommt, genauso stark reduziert wird wie der Strom von der Stromquelle J2, der am Widerstand R2 ankommt.
• Die Anpassungsspannungsschaltung besteht aus einem ersten Spiegeltransistor Q7, einem Koppelwiderstand R8, einem zweiten Spiegeltransistor Q8 und einer Stromquelle J4, die eine Anpassungsspannung vorgibt. Der Zweck dieser Schaltung besteht darin, eine darin, eine Anpassungsspannung Vm mit einer vorgegebenen Differenz zu der Referenzspannung Vr anzulegen.
• Die Dummy-Schaltung besteht aus einem Spiegeltransistor Q5, einem Koppelwiderstand R6, einem weiteren Spiegeltransistor Q4 und einem Dummy-Lastwiderstand R5.
• Die Referenzspannung Vr gewährleistet, daß bei jedem beliebig gewählten Wert für J4 ein entsprechend starker Strom durch die Dummy-Schaltung fließt. Dies ist der Fall, vorausgesetzt, der Spiegeltransistor Q5 der Dummy-Schaltung wird mit dem Spiegeltransistor Q8 der Anpassungsspannungsschaltung abgeglichen, und der Spiegeltransistor Q4 der Dummy-Schaltung mit dem Transistor Q7 der Anpassungsspannungsschaltung. Der Koppelwiderstand R6 der Dummy-Schaltung wird mit Widerstand R8 der Anpassungsspannungsschaltung abgeglichen
• Bei Verwendung bipolarer Elemente wird der Spiegeltransistor Q7 in einer Diodenschaltung angeschlossen wie in Fig. 1, und der Spiegeltransistor Q4 der Dummy-Schaltung ist vom gleichen Typ und als Spiegelelement angeschlossen wie in Fig. 1. Außerdem wird das Element Q3 der Verstärkungsstufe B an den Spiegeltransistor Q4 der Dummy-Schaltung angepaßt, und ein Gegenkopplungswiderstand R4 der Verstärkungsstufe B wird an den Koppelwiderstand R6 der Dummy-Schaltung angepaßt, und das Koppelelement Q2 der Verstärkungsstufe wird an den Spiegeltransistor Q5 der Dummy-Schaltung angepaßt.
• Unter dieser Bedingung und wenn die Basen der Spiegeltransistoren Q4 und Q7 miteinander verbunden sind, bewirkt die Anpassungsspannung Vm gleiche Ströme in der Dummy-Schaltung und in der zweiten Verstärkungsschaltung der Verstärkungsstufe B. Dadurch wird sichergestellt, daß wenn der Lastwiderstand R3 der Verstärkungsstufe an den Lastwiderstand R5 der Dummy-Schaltung der Dummy-Schaltung angepaßt ist, die Ausgangsspannung Vout keine Gleichstromkomponente (Offset) besitzt. Es ist somit möglich, die Basis-Emitter-Spannung Vbe und das Gleichstrom-Beta für bipolare Elemente oder die Schwellenspannung und den Durchgangsleitwert von FETs oder den Flächenwiderstand und den Temperaturkoeffizienten der Widerstände anzupassen.
• Wenn der Gegenkopplungswiderstand R4 der Verstärkungsstufe B nicht erforderlich ist, können die Koppelwiderstände R6 und R8 der Anpassungsstufe C entfallen.
• Nach den bisherigen Ausführungen ist es klar, daß die erfindungsgemäße Verstärkerschaltung ein Ausganssignal Vout mit differentieller Spannung erzeugt, das keinen Gleichstrom-Cffset besitzt und eine verstärkte Version des am NR-Kopf R1 abgetasteten Spannungssignals ist. Die Anpassungsstufe C muß nur sicherstellen, daß die Gleichspannung an Vout nahezu Null ist. Dies kann selbstverständlich erreicht werden, ohne die erwähnten Widerstände, Transistoren und Stromquellen exakt aneinander anzupassen, indem nämlich die Ströme und Widerstandswerte in ein solches Verhältnis gesetzt werden, daß eine Gleichspannung Vout von nahezu Null entsteht. Die Art und Weise, wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung abgewandelt werden kann, um dies zu realisieren, ist dem Fachmann bekannt und wird deshalb hier nicht näher beschrieben.
• In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, das ebenfalls aus einer Vorspannungsstufe A', einer Verstärkungsstufe B' und einer Anpassungsstufe C' besteht. Der Hauptunterschied zwischen dem zweiten und dem ersten Ausführungsbeispiel liegt in der Stufe A', es gibt aber auch einige Unterschiede in den Stufen B' und C'. Komponenten mit identischer Konfiguration und Funktion wie im ersten Ausführungsbeispiel tragen die gleiche Bezeichnung. Die Vorspannungsstufe A' besteht aus der Stromquelle J1 und den Schaltern SON und S1N, die die gleichen Funktionen haben wie im ersten Ausführungsbeispiel. Wenn der Trennwiderstand R0 in der Verstärkungsstufe B' verwendet wird und sein Widerstandswert hoch genug ist, enthält die Vorspannungsstufe A' vorzugsweise auch ein Koppelelement X0'. Diese hat den Zweck, die Spannung an dem am stärksten positiven Terminal des NR-Kopfes R1 so weit anzuheben, daß die nachfolgende Verstärkung durch die Verstärkungsstufe mit dem Eingangselement Q0' erreicht werden kann.
• X0' kann ein beliebiges Element sein, das als Koppelelement (oder Referenz für die differentielle Spannung) verwendet werden kann. Es kann sich also um einen bipolaren NPN-Transistor handeln, dessen Basis und Kollektor in einer Diodenschaltung verbunden sind, oder um einen Anreicherungs-NFET, dessen Gate und Drain miteinander verbunden sind, oder sogar um einen Widerstand. Vorzugsweise ist X0' eine Diode, wenn die Verstärkungsstufe B' als Eingangselement Q0 einen bipolaren Transistor enthält, oder ein FET mit verbundenem Gate und Drain, wenn die Verstärkungsstufe als Eingangselement Q0 einen FET enthält.
• Unabhängig davon, ob eine Koppelelement X0' verwendet wird, kann das Potential am Knoten Vin erhöht werden, ohne daß zusätzliches Rauschen durch Einfügen des Trennwiderstandes R0 in die Verstärkungsstufe B' in Kauf genommen werden muß. Daß das Potential am Knoten Vin über das Potential an Vin im ersten Ausführungsbeispiel angehoben werden muß ist durch den Aufbau der Eingangsvorspannungsschaltung in der Verstärkungsstufe bedingt.
• Die Verstärkungsstufe B' ist abgesehen von der ersten Verstärkungsschaltung im wesentlichen gleich aufgebaut wie die Verstärkungsstufe B. Kondensator C1, Stromquelle J1, Elemente Q2 und Q3, Schalter S2N und Widerstände R0, R2, R3 und R4 haben im zweiten Ausführungsbeispiel die gleichen Funktionen wie im ersten Ausführungsbeispiel. Das Eingangselement Q0' ist jedoch kein bipolarer PNP-Transistor oder Anreicherungs-PFET, sondern ein bipolarer NPN-Transistor oder ein Anreicherungs-NFET (oder ein LFET, d.h. ein NFET mit niedrigem Schwellenwert).
• Wird als Eingangselement Q0' ein bipolarer Transistor verwendet, so wird dessen Basis über den Schalter S1N mit dem Knoten Vin, sein Kollektor mit dem Lastwiderstand R2 und sein Emitter mit der Eingangsvorspannungs-Stromquelle J2 verbunden. Wird als Eingangselement Q0' ein FET verwendet, so wird dessen Gate über den Schalter S1N mit dem Knoten Vin, sein Drain mit dem Lastwiderstand R2 und seine Source mit der Stromquelle J2 verbunden.
• Unabhängig von der Art des verwendeten Eingangselements muß das verstärkte Spannungssignal am Lastwiderstand R2 auf die positive Versorgungsspannungsquelle Vcc und nicht auf die Erde bezogen sein. Die Stromquelle J2 hat deshalb wenig dynamischen Spielraum, innerhalb dessen sie ohne Sättigung arbeiten kann. Die Beschränkung des Spielraums der Stromquelle J2 ist darauf zurückzuführen, daß die Vorspannung am NR-Kopf R1 sehr klein sein kann und zwischen der Basis oder dem Gate des Eingangselements Q0' am Knoten Vin und dem Kondensator C1 eine Spannung erforderlich ist. Das Einfügen des Trennwiderstands R0 hilft, die Sättigung der Eingangsvorspannungs-Stromquelle J2 zu verhindern.
• Da das verstärkte Spannungssignal nicht auf die Erde sondern auf die positive Versorgungsspannungsquelle Vcc bezogen ist, müssen die Elemente im der zweiten Verstärkungsschaltung so transponiert werden, daß NPN-Elemente des ersten Ausführungsbeispiels hier zu PNP-Elementen werden und umgekehrt. Diese Änderung erfordert, daß der Lastwiderstand R3 in der zweiten Verstärkungsstufe auf die Erde bezogen ist.
• Um die zweite Verstärkungsschaltung richtig vorzuspannen, müssen jetzt die im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten NPN-Elemente durch PNP-Vorrichtungen ersetzt werden und umgekehrt. Anpassungsstufe C' entspricht der Anpassungsstufe C insofern als die Elemente Q1, Q4, Q5, Q7 und Q8, die Widerstände R6, R7 und R8 sowie die Stromquellen J3 und J4 genau die gleichen Funktionen haben wie im ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie zuvor wird nur dann ein Dummy-Element Q1 eingebaut, wenn als Eingangselement Q0' in der Verstärkungsstufe ein bipolarer Transistor verwendet wird. Das zweite Ausführungsbeispiel liefert also wie das erste ein Differentialspannungs-Ausgangssignal Vout ohne Gleichstromoffset, das eine verstärkte Version des am MR-Kopf R1 abgetasteten Spannungssignals ist.
• In beiden Ausführungsbeispielen kann eine der Stromquellen (J2, J3, J4) angepaßt werden, um den von ihr gelieferten Strom zu ändem, und ändert dadurch, daß sie die übrigen Stromquellen automatisch veranlaßt, angepaßte Ströme zu liefern, den Verstärkungsgrad der Verstärkerschaltung.

Claims (11)

1. Eine Verstärkerschaltung zum Anschluß an mindestens einen magnetoresistiven Sensor (R1), die eine Vorspannungsstufe, eine Verstärkungsstufe und eine Anpassungsstufe enthält, die alle auf eine gemeinsame Versorgungsspannungsquelle und die Erde bezogen sind; wobei

(i) die Vorspannungsstufe eine Referenzspannungsquelle (J1) zur Vorspannung des magnetoresistiven Sensors (R1) mit einem konstanten Strom und damit zur Entwicklung eines unsymmetrischen Spannungssignals mit einer ersten Gleichstromkomponente enthält,

(ii) die Verstärkungsstufe dazu dient, das unsymmetrische Spannungssignal in ein verstärktes unsymmetrisches Ausgangsspannungssignal mit einer zweiten Gleichstromkomponente, in dem aber die erste Gleichstromkomponente eliminiert ist, umzuwandeln, und

(iii) die Anpassungsstufe dazu dient, eine Vorspannung zu erzeugen und diese an die Verstärkungsstufe anzulegen, um das unsymmetrische Ausgangsspannungssignal in ein differentielles Ausgangsspannungssignal umzuwandeln, in dem die zweite Gleichstromkomponente eliminiert ist.

2. Eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1, bei der die Verstärkungsstufe einen zwischen die Vorspannungsstufe und die Erde geschalteten Trennwiderstand (RO) enthält, um die Sättigung der Verstärkungsstufe zu verhindern und die Empfindlichkeit des Verstärkers gegenüber dem durch vagabundierende Erdströme bedingten Rauschen in der Nähe der Leitungen, die den mindestens einen magnetoresistiven Sensor (R1) mit dem Verstärker verbinden, herabzusetzen.

3. Eine verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Verstärkungsstufe folgende Elemente enthält:

eine erste Verstärkungsschaltung zur Eliminierung der ersten Gleichstromkomponente des unsymmetrischen Spannungssignals; und

eine zweite Verstärkungsschaltung, an welche die Vorspannung angelegt wird, indem von der Anpassungsstufe eine (Anpassungsspannung) (Vm) erzeugt wird, um sicherzustellen, daß das differentielle Ausgangsspannungssignal keine Gleichstromkomponente besitzt.

4. Eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 3, bei der die erste Verstärkungsschaltung eine Stromquelle (J2), eine Eingangsvorrichtung (Q0), einen ersten Belastungswiderstand (R2) und einen Kondensator (C1) enthält, wobei die Stromquelle (J2) mit einer Spannungsreferenzschaltung (VCC oder Gnd) und einem Anschluß der Eingangsvorrichtung (Q0) verbunden ist, der erste Belastungswiderstand (R2) an einem Ende mit dem anderen Anschluß der Eingangsvorrichtung (Q0) und am anderen Ende mit einer anderen Spannungsreferenzquelle (Gnd oder VCC) verbunden ist, der Kondensator (C1) zwischen Erde und den einen Anschluß der Eingangsvorrichtung (Q0) geschaltet und der magnetoresistive Sensor zwischen Erde und einen Steueranschluß der Eingangsvorrichtung (Q0) geschaltet ist, und

die zweite Verstärkungsstufe einen zweiten Belastungswiderstand (R3), eine Koppelvorrichtung (Q2), eine Ausgangsvorrichtung (Q3) und einen Gegenkopplungswiderstand (R4) ent- hält, wobei der zweite Belastungswiderstand (R3) zwischen die eine Spannungsreferenzquelle (VCC oder Gnd) und einen Anschluß der Ausgangsvorrichtung (Q3), der Gegenkopplungswiderstand (R4) zwischen einen anderen Anschluß der Ausgangsvorrichtung (Q3) und einen Anschluß der Koppelvorrichtung (Q2) geschaltet ist, ein anderer Anschluß der Koppelvorrichtung (Q2) mit der anderen Spannungsreferenzquelle (Gnd oder VCC) verbunden ist, wobei ein Anschluß der Koppelvorrichtung (Q2) mit dem einen Ende des ersten Belastungswiderstands (R2) und einem Steueranschluß der Ausgangsvorrichtung (Q3) mit einer von der Anpassungsstufe (Vm) erzeugten Spannung verbunden ist.

5. Eine Verstärkerstufe gemäß Anspruch 1 bis 4, bei der die Anpassungsstufe folgende Elemente enthält:

eine Referenzspannungsschaltung zur Replikation der zweiten Gleichstromkomponente des verstärkten Spannungssignals zur Erzeugung einer Referenzspannung (Vr);

eine Dummy-Schaltung, die eine Hälfte des differentiellen Ausgangsspannungssignals (Vout) liefert, dessen andere Hälfte von der zweiten Verstärkungsschaltung der verstärkungsstufe kommt; und

eine Anpassungsspannungsschaltung zur Entwicklung einer Anpassungsspannung (Vm), um eine gleiche Vorspannung der einen Verstärkungsschaltung und der Dummy-Schaltung zu erzeugen.

6. Eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1 bis 5, bei der die Verstärkungsstufe eine bipolare Eingangsvorrichtung besitzt und die Referenzspannungsschaltung eine bipolare Vorrichtung (Q1) enthält, die sicherstellt, daß der durch die Vorspannung der bipolaren Eingangsvorrichtung (Q0) bedingte Stromverlust in der Referenzspannungsschaltung ausgeglichen wird.

7. Eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der die Referenzspannungsschaltung folgende Elemente enthält:

eine an die Stromquelle (J2) der ersten Verstärkungsschaltung der Verstärkungsstufe angepaßte Stromquelle (J3) und

einen Widerstand (R7), der an die Stromquelle (J3) angeschlossen ist und an einen Belastungswiderstand (R2) in der ersten Verstärkungsschaltung der Verstärkungsstufe angepaßt ist, um eine Referenzspannung (Vr) zu erzeugen.

8. Eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 5, 6 , 7 oder 8, bei der die Dummy-Schaltung einen ersten und einen zweiten Spiegeltransistor (Q5, Q4), einen Koppelwiderstand (R6) und einen Lastausgleichswiderstand (R5) enthält, wobei der erste Spiegeltransistor (Q5) an die Referenzspannung (Vr) von der Referenzspannungsschaltung angeschlossen ist, und der zweite Spiegeltransistor (Q4) über den Koppelwiderstand (R6) an den ersten Spiegeltransistor (Q5) und den Lastausgleichswiderstand (R5) sowie an die Ausgangsvorrichtung (Q3) in der Verstärkungsstufe angeschlossen ist; und

die Anpassungsspannungsschaltung eine Einstellstromquelle (J4), einen dritten und einen vierten Spiegeltransistor (Q7, Q8) und einen Koppelwiderstand (R8) enthält und der dritte und vierte Spiegeltransistor über den Koppelwiderstand (R8) miteinander verbunden sind und die Einstellstromquelle (J4) an den zweiten Spiegeltransistor (Q4) und den dritten Spiegeltransistor (Q7) sowie an die Ausgangsvorrichtung (Q3) angeschlossen ist, um einen Strom durch den dritten und den vierten Spiegelwiderstand (Q7, Q8) und den Koppelwiderstand (R8) zu liefern, um eine Anpassungsspannung zu erzeugen, die an die Referenzspannung angepaßt ist, um eine gleiche Vorspannung der Dummy-Schaltung und der Verstärkungsstufe zu erreichen.

9. Eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1 bis 8 mit einem Verstärkungsgegenkopplungs-Widerstand (R4) in der Verstärkungsstufe und einem Koppelwiderstandspaar (R6, R8) in der Anpassungsstufe, um die Verstärkung der Verstärkungsstufe anzupassen und/oder die Sättigung der Verstärkerschaltung zu verhindern.

Eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1 bis 9 mit mehreren Stromquellen (J2, J3, J4), von denen mindestens eine einstellbar ist, um den Strom zu verändern und die übrigen Stromquellen zu veranlassen, Anpassungsströrne zu liefern, um so automatisch die Verstärkung der Verstärkerschaltung entsprechend zu verändern.

11. Ein Datenspeichersystem mit mindestens einem Datenspeichermedium, auf dem Daten aufgezeichnet werden und das auf die Erde bezogen ist; und

mit mindestens einem magnetoresistiven Sensor zur Abtastung der Daten von dem Datenspeichermedium, wobei der magnetoresistive Sensor an eine Verstärkerschaltung gemäß Anspruch 1 bis 10 angeschlossen ist.