硬盤制造商面臨的持續挑戰是提供連續性以相同（或更低）成本提高存儲容量的新產品流。提供提供更高容量和更低成本的驅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，行業領導者正在轉向新的趨勢線，將增長率提高到每年60％以上。

HDD設計人員采用各種技術和技術來滿足面密度目標：介質，磁頭技術，記錄調制和磁頭定位公差的改進。本文討論了記錄調制技術的關鍵因素以及它如何與系統中使用的磁頭類型相匹配。磁盤驅動器中的記錄調制/解調由“讀取通道處理器”實現。

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雜的模數轉換器，它將弱模擬信號（代表數字信息）從磁盤驅動器頭轉換為數字比特流。在過去幾年中，使用部分響應，最大似然（PRML）架構，包含在讀通道IC中的信號處理功能在性能和復雜性方面顯著提高。 PRML彌補了傳統峰值檢測脈沖提取與通信系統中使用的更高性能最大似然信號檢測方案之間的差距，包括調制解調器，數字VCR等.1

在磁盤驅動器應用程序中，“通信通道”包括：

• 將二進制（0,1）用戶數據轉換為電磁線圈中電流極性變化的發送器（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原始二進制數據。

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

脈沖識別問題：

磁盤上的磁轉換轉換為電壓脈沖，輸出端的極性交替出現讀頭傳感器。讀取通道中的隔離轉換（對應于磁化的階躍變化）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。當磁化改變方向時，信號達到峰值。用戶能夠通過讀/寫通道傳送信息的數據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（參見模擬對話22- 1988年1月1日）。通過利用微分器對信號進行操作，然后使用過零比較器來檢測在回讀信號中表示二進制“1”的峰值。比較器輸出由幅度限定電路門控，當輸入讀取信號幅度低于某個閾值時，該電路禁用數字輸出脈沖。

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

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（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）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，最可能（ML =最大似然）脈沖系列不斷更新。

在部分響應通道的各種類和順序中，相互之間的數量選擇符號干擾（信號消除），使得當相鄰脈沖干擾時，在采樣實例處僅產生一組有限的離散幅度。在PR4信令中，允許存在+1,0,1，1個標稱采樣值，隔離脈沖被整形（通過連續和離散時間濾波器），并且調整采樣時鐘相位，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。

當磁盤上的兩個磁轉換最接近時，相應的回讀樣本（+ 1，-1）部分抵消，并且相鄰脈沖值的結果采樣為+1,0，-1。 （可以說每個轉換都是中間0樣本的部分原因。）在高階部分響應系統中，如增強型PR4（EPR4），允許兩個以上轉換引起的脈沖響應干擾，產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雜的信號處理技術所帶來的改進，磁盤驅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對應物。到目前為止，已經生產了超過5000萬個磁頭，這個數字可能與今年相當。

MR讀頭采用各向異性磁阻（AMR）原理將5 A / m（奧斯特）的磁場變化轉換為電阻變化約2.5％。此外，繼續研究GMR（巨型MR），其產生的靈敏度是AMR的5倍。這允許驅動器設計者將更多位打包到給定的表面區域，或者放寬其他設計約束以提高其他地方的性能。 [注意：甚至在生產驅動器中實施GMR之前，CMR（巨型 MR）的開發工作正在順利進行; CMR有望比GMR有顯著的改進。]傳感器本身是一層薄膜（約250？）的Ni-Fe（鎳鐵），也稱為坡莫合金，只是少數幾個每側μm。 MR元件電阻的調制表現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磁頭技術解決了與感應磁頭相關的許多問題例如來自盤片的信號幅度對其旋轉速度的依賴性。但MR負責人為磁盤驅動器設計人員帶來了許多新的挑戰。其中一個問題是當MR磁頭偶爾接觸磁盤表面時電阻率的變化。這種接觸導致溫度突然升高，導致持續時間（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。

另一個值得關注的問題是由于偏置和磁頭偏離軌道位置導致的MR傳感器的非對稱非線性傳遞函數。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來解決問題。

通過考慮讀通道芯片設計中的MR頭相關問題，像ADI公司這樣的半導體廠商可以為磁盤驅動器電子產品增加重要價值。這在ADRS1xx系列中有所體現。

產品特性：

ADRS1xx系列中的器件具有多種信號處理功能和選項。它們為最先進的磁盤驅動器提供了完整的信號處理解決方案，尤其是當MR技術與PRML處理相結合時。電路模塊采用CMOS工藝，可以及時交付經濟高效的半定制芯片。

圖3是典型ADRS1xx讀通道芯片的框圖。各種連續和離散時間濾波器實現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，結合模擬或數字5抽頭自適應FIR濾波器，對PR4目標執行低通濾波和回讀信號均衡。在量化過程發生之前，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轉換器中所需的有效位數（ENOB）。

專利的雙模擬/數字自動增益控制（AGC）環路與混合鎖相環（H-PLL）串聯，負責調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，可確保輕松優化環路動態。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（交流耦合網絡的時間常數減少），可以顯著縮短偏移瞬態（熱粗糙）的恢復時間。

A / D轉換器：

ADC是全閃存型，6位，144 MSPS（每秒兆次采樣），內置專利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頭的較大磁盤驅動器中，每個盤片的校正碼存儲在驅動器上以進行即時切換。

PR4和EPR4 Viterbi檢測器實現最大似然檢測（PRML）。與峰值檢測器做出連續不可撤銷的決定，一點一點，關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行最大似然檢測，即，通過在每個“比特時間”執行一些計算。基于先前的信號樣本動態調整一組閾值，并與最新的信號樣本進行比較（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（在可用內存的限制內）。

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年的數字VCR高密度記錄技術”。 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，“用于磁盤驅動器應用的32 Mb / s完全集成讀通道。”