单个磁阻传感器磁头/磁盘/通道自适应偏流系统

本发明涉及使用磁阻(MR)传感器磁头元件的磁存储设备，更 具体地涉及为提高这种传感器元件的性能而控制偏流。

磁阻磁头的尺寸在不断缩小，但公差却不象尺寸缩小得那么快。 在一个典型的最近的设备的设计中，磁阻条的高度的公差显 示±33％的改变，或者以最高与最低的比例来算，为2∶1的比例。再 者，磁阻条的宽度(在电流方向上的长度)的公差为±20％。厚度的公 差为±10％。如果这些被看作独立的误差，那么元件的总体的电阻误 差约为±40％，或者说最高与最低的比例为2.33∶1。

这样大尺度的偏差造成的一个问题是用普通的偏压方法，在同 一设备中的不同磁头之间会造成能量耗散的很大差异。另外，由于电 流的截面(条高乘以条厚)也有大幅度的变化，电流密度产生显著的 变化。电迁移被认为是基本的故障机制。产品寿命与电流密度的立方 成反比，并与温度成指数关系(过热不好)。因为普通的偏压方法使用 一个对于所有的磁头都固定的直流电流(DC current)，所以条的高 度低和层厚度薄会造成较高的电阻和较高的电流密度。这样造成的 能量耗散会使温度的升高比起高而厚的条显著增大。这样温度与电 流密度共同作用，并导致了条度度低而且薄的磁阻元件比起较高且 较厚的元件其预期寿命短得多。

另一项考虑是使电阻较高的因素同样也使信号电平较高。这样 最高的信噪比出现在磁头电阻最高时。于是低的条高度，较薄的层及 较宽的条导致好的信噪比，而高、厚、窄的条造成较差的信噪比。因此 一个固定的偏流必须是信号好与寿命短的折衷。

另一个问题是好的电子信噪比依赖于前置放大器的设计。由于 可得到的电压的降低以及能量目标(power goal)的降低，前置放大器 的设计受到了严重限制。现有的设计通常具有单一的+5伏电源 (±5％)。由于有通过磁头及导线的电压降，磁头电阻的变化也限制 了能够使用的偏流的量。这受到多个电阻和有源元件的限制，它们必 须分裂前置放大器可利用的电压。如果在一个高电阻的磁头上流过 过大的电流，前置放大器级就会饱和并使信号畸变，从而导致性能的 下降。

还有一个问题是有关于磁阻(MR)磁头中的导线的电阻渐增现 象(GRIP)。最后的数据显示，在设备的使用期中电阻会比以前估计 的要增加几个欧姆。因此，一个过于接近生产时的限制的设计会在产 品的使用后期随着电阻的增大而使前置放大器饱和，并严重损害其 性能。

由元件的易变性，放大器电路的易变性，以及设备生命期中出现 的电阻增大现象造成的包含磁阻传感器磁头的数据存储设备的电流 偏置问题由一个对每个磁头/磁盘/放大器元件组的偏流进行优化的 系统来解决。不仅如此，已经没有必要在生产时对设备的总体性能做 折衷，因为在产品的整个使用期中定期地对偏流值做重新设置。

偏流值与其它控制信息一起存储在磁盘表面上。当驱动器加电 时，偏流值被传送到随机访问存储器中，每次使用一个不同的传感器 磁头从介质上读取数据时便可以瞬时访问上述偏流值。周期性地，作 为一个操作时预先确定的加电持续时间的函数，磁头/磁盘/放大器 元件组被板上误差测量电路重新测试，以对每一个元件组的最佳偏 流值重新校正，并更新所存的偏流值。这样，该设备在整个产品使用 期中都在做自我稳定，大大减少了发生意外故障的可能。

图1是一个典型硬磁盘数据存储设备的主要机械部分的局部 剖视侧视示意图。图2是展示对磁盘驱动器的多个磁阻磁头进行单 独偏流控制的电路图。图3是用来实现本发明的控制结构的方框示 意图。图4是展示用来实现本发明的一个通用误差测量电路的方框 图。

图1是一个硬磁盘数据存储设备的示意图。转轴组件5和致动 器组件6被装在支架7上。转轴组件包括一个转轴20，磁盘21被固 定在20上做整体转动。可旋转的转轴组件5形成了一个无刷直流转 轴电机的转子，该电机通常把定子部分同心地置于转轴转子中，并由 支架7来支撑。致动器(actuator)组件6包含磁阻传感器磁头10a和 10d，它们分别由弹性弯曲悬柄23及臂24来支承。臂24被固定成一 组以便一同绕轴A旋转，使传感器磁头从一个磁道位置向另一个磁 道位置移动。磁头/悬柄组件的转动由一个音圈电机(VCM)26推动， 该电机中的音圈28由上臂24的延伸27支承，并伸进一个有一磁场 通过的工作区间中，借此音圈中的直流电流使磁头/臂组件向一个方 向旋转，而反方向的直流电流使磁头/臂组件向相反方向旋转。

偏流问题是由一个对存贮设备中每一组磁头/磁盘/放大器元件 的偏流进行优化，并允许在由寿命改变导致可能造成性能下降时 对其进行重新优化的系统来解决的。该方案具有对几个前所未用的 操作的改进。需要一种方法来确定怎样设置偏流值。还需要把每一个 磁头的偏流值存储在磁盘上。该设备的传感器磁头使电流通过前置 放大器流过磁头，并提供措施以检测磁头电路中的诸如开路或短路 之类的问题。电压读数被存在一个数据库中，有一个程序来决定是需 要增加还是要减少电流。

图2显示了一串传感器磁头10a到10d，它们各自通过一个晶 体管12a到12d接到导线16上，导线16接入一个前置放大器17。前 置放大器的输出接到设备数据通道。被寻址的磁头通过相应的开关 15a到15d连到导线16，并通过相应的开关14a到14d连到导线18 上的偏流源。虽然开关14a到14d及15a到15d都被示意性地说明， 但应该明白这些功能都是由使用半导体器件的开关电路完成的。反 馈控制电路19被用来提供偏流，同时，电容器22和用来测量电容器 两端的电压Vcap的与之并联的端子决定了磁阻磁头的电阻：

Vcap=Ib·Rmr+Vbe

Rmr=(Vcap-Vbe)/Ib

磁阻磁头的偏流设定为该磁阻磁头的电阻的函数。

但是，前置放大器模块之间公差的差别没有考虑在内，因此最大 电流必须限制在适用于在整个容差范围内的所有前置放大器模块。 如果对前置放大器电路也做补偿，就能获得更佳的优化值。

为了对正常操作中的系统做等价信噪比测试，可以使用一个通 用误差测量(Generalized Error Measurement-GEM)，它由美国专 利申请第922591号示出、1992年7月30日提交，题目是“Error Measurement Circuit”(误差测量电路)，并转让给了同一受让人。该 GEM系统设计成为磁盘驱动器提供执行板上测试的能力，这一测 试过去是通过把数据存储和恢复系统连接到诸如数字示波器和逻辑 分析仪之类的测试设备上完成的。GEM电路的标准功能之一是确定 样本偏离其最佳值的均方差。这基本上提供了一个信噪比的测度，因 为此时数据的振幅已经被正规化到一个给定的基准电平上。GEM电 路这里被用来确定最适用于每一个磁头/磁盘组合的均衡器。用同样 的方法，可以用它来找出最佳的偏流。

图3显示了一个使用GEM电路的包含于本发明的磁盘驱动器 的部分方框图，图4是GEM电路33的方框图。控制由设备微处理 器30和从GEM 33的误差测量电路接受输入的磁头/磁盘组件控制 器31来完成。响应由GEM电路处理的误差值，由传送到臂电子线 路的前置放大电路17的一个三位信号来设定偏流。

典型的响应于磁阻磁头电阻值的电流值Ib如下： Rmr(欧姆) Ib(毫安)  读取的偏置位  ＞40     6.5        0    0    0  35-40    8.0        0    0    1  30-35    9.5        0    1    0  25-30    11.0       0    1    1  20-25    12.5       1    0    0  DRP      14.0       1    0    1  DRP      15.5       1    1    0  DRP      17.0       1    1    1

偏流值Ib的三个最高值仅用于数据恢复过程(DRP)中，此时短 暂的高电流值不会危及磁阻磁头的寿命。高些或低些的电流值可以 用于恢复。典型地，使用一个不超过最佳值的预先确定的增加百分比 的较高的值。表中标以DRP的三个较高值仅用于恢复过程，但在一 个磁头的最佳偏流较低的情况下，DRP可以被限制超过或者低于这 一最佳偏流值电平而少量增长。

图4是一个说明执行误差测量的GEM电路33的方框图。方框 40表示从数据样本中生成误差值样本。误差值样本是通过计算数据 样本的预期值与所收到的数据样本值之间的差而得到的。

误差值样本被输入到第一处理路径，第二处理路径，和第三处理 路径。输入到第一处理路径的误差值样本由平方器41来平方。平方 器41产生包含每个误差值样本的平方的信号输出。误差值样本由比 较器43与对比电平42做比较。比较器43在输入误差值样本大于或 等于对比电平42时产生包含一个逻辑一的输出，当输入误差值样本 小于对比电平42时便产生一个逻辑零。

第三处理路径包含一个乘法器44和一个反相器45。输入到第 三处理路径的误差值样本可以由乘法器44和反相器45都处理，也 可以都不处理。另外，输入到第三处理路径的误差值样本不能由乘法 器44和反相器45之中的一个来处理。由微处理器30根据要执行的 测试来做出选择。

乘法器44把每一个误差值样本与存储在数据存储与恢复系统 中的信号的斜率相乘。所存储的与一个数据样本相关的信号的斜率 与由该数据样本生成的误差值相乘。如果反相器45是该处理的一部 分，就把相乘的结果输入进反相器45。

如果乘法器44包含在该处理中，反相器45就把乘过的误差值 样本做为自己的输入，如果乘法器不包含在这一处理中，则以误差值 样本为输入。响应与零的一个数据类型相关的一个连续数量的误差 值样本或者乘过的误差值样本的输入，反相器45将通过改变该连续 数量的误差值样本或者乘过的误差值样本中的最后一个的符号来将 输入反相。

选择器46从第一处理路径，第二处理路径，第三处理路径，或者 一个逻辑数据电平的电平样本源47接受信号作为输入。在一个较佳 的实施例中，样本源47提供一个逻辑一作为选择器46的输入。微处 理器30使用选择器46来把三条处理路径之一，或者电平样本源47 的输出信号送至门49。

一旦选择器46选择了三条处理路径之一或者样本源47产生的 信号作为输入，选择器46就把被选的信号输出到门49。一旦与一个 信号相关联的数据类型与由源50提供的期望的数据类型相一致，门 49就传递被选择的信号。

然后门49的输出在累加器51中被累加。现在累加器51中的结 果可以被数据存储与恢复系统中的微处理器30所访问了。然后，可 利用该结果来识别数据存储器与恢复系统中的问题。

在最简单的情况下，可以假定磁阻磁头具有良好的线性输出信 号而没有失常或畸变，不对称或不稳定。假如对所有的偏流都是如 此，那么有一个很高的电流就很好，因为信噪比会随着偏流的增大而 不断增大。但是，这就有必要考虑前置放大器了。前置放大器在第一 级中有两个主要部位能够产生饱和，并且这是所提供的电压以及链 中包含电阻器在内的某些内部部件的特定的容差的函数，这些也都 取决于温度。模块中的电阻器有一个正的温度系数，并随温度而升 高。晶体管的结电压也随温度而变化。由于这些变化，对于不同的温 度和电源电压，前置放大器的饱和在不同的振幅开始。一般说来，最 低的电源电压与最高的温度是最坏的情况，或者说饱和在较小的信 号振幅上发生。

饱和容易发生的最敏感的两点是在包含磁阻磁头的部分，或者 包含负载电阻器的第一级的输出部分。这样，即使磁头的电阻很低， 前置放大器也会在第一级的输出晶体管和负载电阻器上在某些偏流 上饱和。这决定了能够用于任何电阻磁头的最大电流。如果磁头的电 阻比临界值高，那么在电流比能使输出级饱和的值小时，前置放大器 就从通过磁阻磁头的电压发生饱和。例如，如果磁头电阻是临界电阻 的1.5倍，那么其最大电流将是由第一级的负载电阻器和晶体管决 定的最大电流值的2/3。

前置放大器中的晶体管被偏置得非常接近于良好操作的限度， 以便使用低的电源电压而保持期望的性能。考虑到饱和，系统最初工 作在相当接近于饱和的电压。因此可以考虑的改变相对较小，在很多 情况下是十分之几伏。正是这个原因使饱和特性相对平缓。这意味着 随着信号振幅的增大，前置放大器的畸变增加得相当平滑。

在“简单”情况下，最佳电流是通过分析两种作用得来：信噪比 (S/N)随偏流的增加而增加，畸变随偏流的增加而增加，这导致一个 最佳值的产生。信噪比的增加是相对线性的。畸变的增加倾向于平方 的，这最终造成了其性能下降比线性增加的信噪比要快。畸变量与进 入磁阻磁头的磁通量有关。于是错误率性能与偏流形成一条环形的 曲线，最佳的错误率在折衷的电流处得到。

最佳偏流不是一个固定的值，因为电源电压会改变或者温度会 改变。在温度与电源电压的变化范围内，最好保持最佳的总体错误 率。最佳点出现在最低的电源电压和最高的温度使错误率比最佳值 略差的那一点，因为这一操作点不会经常出现。在测试中温度不太可 能控制在最高可能温度。这样就有必要提供附加的应激(stress)以补 偿测试没有在最高温度进行。为了确定最佳点，有必要针对输出晶体 管限制偏流，以及磁阻磁头限制偏流两种情况，获得对性能随着电 压、温度、和电流下降速度的测量值。

随着实际情况调节的第一要素是加上磁阻磁头的非线性的作 用。有一些信号峰值的饱和是来源于它被偏置在钟形的电阻与输入 通量曲线的“S”形的一侧。一般地，输入通量足够低，使得如果偏置被 最佳地居中，曲线就非常线性。如果偏置偏移了，正峰值或负峰值的 振幅会被减小。这可以表达为振幅不对称。不对称造成性能的降低， 所以大的不对称是“不好”的。

磁头的偏置是这样得到的：首先是在条(stripe)的两端的硬偏置 (永久磁铁)，它提供了沿着通过条的电流方向的磁场。磁阻部分本身 的一个软邻接层提供一个“环形”的磁偏置，向上穿过软邻接层，向下 穿过磁阻条(stripe)。磁阻的这一场向下指向介质表面。这两者结合 起合，再加上其它影响，使这两个域中的偏置角大致位于两个偏置场 中间。虽然该软邻接层假定为饱和的，但偏置场随着偏流仍有一些变 化。因此，偏流对于偏置角有一些影响，因而对不对称性也有影响。

可以考虑到如果偏流对于不同的条有变化，不对称性将更为严 重。这是不对的。实际上不对称性会得到改善。在一例中，一个条的高 度是另一个条的两倍，可以比较其结果。两种情况下硬偏置磁铁是相 同的。但是，如果高的条与低的条使用同样的电流，磁通势的同样数 目的安匝将驱动环绕软邻接层和磁阻层的“回路”的通量。如果较高 的条要得到与较低的条相同的偏置场，就需要两倍的安匝数，因为回 路的每一段都是两倍长度。层与层之间的距离与条高度相比是很小 的。因此若要保持相同的偏置角，高的条通过的电流约为低的条的两 倍。用这种方法可以看出，使用于不同的条高度的固定电流应该对使 不对称性偏离最佳值负责。设置电流更接近于产生相等的安匝的值， 会造成不对称性更小的变化，在此基础上造成的性能损失更小。

即使有了可调的偏流带来的改进，对于不同的磁头仍有一些不 对称的误差。在这种情况下由不对称带来的波形的畸变和由放大器 饱和带来的波形的畸变将会相加。一般说，这些畸变不是非相关的。 不对称性基本上使峰值的一个极性畸变。而且，一般地放大器中只有 峰值的一个极性会畸变，因为一般地两个极性在电路中不会有相同 的应激(stress)。如果电路和不对称性落在同一个极性峰值上，结果 会是更快的性能下降。如果它们落在相对的峰值上，实际上在性能下 降前会有些改善。如果两个峰值都有相当数量的削弱，仍会有一些性 能下降，但不会产生比高阶畸变更严重的偏移。

当GEM电路提取了信号的有效的信噪比时，它将自动地对比 信号的总畸变，并将指出这些条件下对于最佳电流选择。

从磁盘输出的通量将会影响信号中看到的不对称的量，因为较 高的通量输出会使磁头的传输函数进入更深的非线性性。因为对偏 流的调节减少不对称性的范围，这样由磁盘输出的通量的数量会增 加。这可以在不造成比现在看到的更多的不对称性的前提下对所有 的磁头允许更大的信号振幅。

对于具有一些不对称性的磁头，具有较低的输出从而具有校低 的信号的磁盘会比较高输出通量的磁盘有更小的不对称性。低通量 输出的磁盘的最佳偏流一般比高输出磁盘的高。这意味着系统将为 了在磁头与放大器的变化之外又复盖磁盘的变化，在信号与不对称 性之间做出更优的折衷。

如果存在一个“稳定的”不稳定性，该GEM电路会为偏流选择 最佳的位置。由于信号通量与偏置通量结合会引发不稳定性，所以在 某些情况下，不稳定性会给波形造成持续的畸变，并使性能严重下 降。但是，如果以各种方法改变偏置场，使得该场的强度不足以使不 稳定性在趋稳点(sti king point)上循环，那么波形就会稳定，而且性 能也会很好。这就是在数据恢复过程中使用偏流改变的意图。其结果 是通过GEM对有效信噪比的测量，最佳偏置在最优操作情况下被 确定，并且自动避开诸如高不对称性或不稳定等问题。

使用本发明减少了不对称的误差，因而能允许磁盘比标准的设 计有更大的输出通量。本发明还对作为磁盘输出函数的不对称性做 自我补偿，以对所有的元件保持最佳的信噪比。本发明也适用于其它 偏置方案，因为它是一个总体优化系统。

如果在生产时选定的偏流用于产品的整个使用期，那么该偏流 必须设定为一个折衷的值，该值经过计算以适应于将来磁头/磁盘/ 通道结合的参数的变化。这会使本发明的好处化为乌有，因为这削弱 了磁阻读出传感器系统当前的性能。可以通过如下方法在产品使用 期中保持最佳性能。周期性地，比如说在每一个小时的加电操作以 后，构成驱动器电路的一部分的一个误差测量电路进行一串测试，以 测量对于每一个磁头/磁盘/通道元件组合的误差值。该串测试重新 优化偏流值，并在需要时以新值代替当前值。一般地，偏流值可以在 一个表中选取，就象前面讨论图3时所示的那种。这样一个表可以包 含任何数目的刻度值。这样偏流值总是可以在当前情况下加以选择 以达到最佳性能。该优化过程理论上可以将信噪比提高到两倍。这些 长处可以牺牲一些以换取更大的可靠性。

自适应磁阻磁头偏流控制是这样实现的：在生产时访问每一个 磁头并针对每一个磁头/磁盘/通道元件组合确定最佳的偏流；并把 这些值存储在磁盘表面用来存储设备控制信息的部分中。作为磁盘 驱动器加电序列的一部分，最初使用低偏流值来试着读取所存的最 佳偏流值。如果需要，初始值被增至一个额定值，但不要高得可能损 坏一个低条高度的磁头。在读取了所存的偏流值后，这些值被传送到 驱动器中的随机访问存储器。在操作中，每当出现一次磁头转换命 令，就访问那些偏流值，变成活动的磁头用所给出的电流值被偏置。

尽管本发明已被特定地示出并且参考较佳的实施例加以描述， 然而熟悉本行业的人应当懂得，可以对其形式及细节做多种改动而 不背离本发明的精神和范围。