DE2718491C2

DE2718491C2 - Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Signale eines elektromagnetischen Wandlers und zur Vorspannungserzeugung für den Wandler

Info

Publication number: DE2718491C2
Application number: DE2718491A
Authority: DE
Inventors: Jerome Danforth San Jose Calif. Harr
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-05-06
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1983-11-10
Also published as: GB1537603A; IT1114782B; FR2350657A1; US4050086A; DE2718491A1; JPS5827561B2; FR2350657B1; JPS52135706A; CA1096036A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Signale eines elektromagnetischen Wandlers, der von einem Gleichstrom durchflossen wird und dessen Ausgangssignale einem mehrstufigen Differenzverstärker zugeführt werden.

Die Wiedergabe von elektrischen Signalen, die in einem magnetischen Speichermedium gespeichert sind, mittels elektromagnetischer Wandler ist bekannt. Ebenso ist es bekannt, die Verstärkung einer Verstärkerschaltung für die wiedergewonnenen Signale durch eine automatisch arbeitende Schaltung zu steuern. Als Verstärkerschaltungen finden vielfach mehrstufige Differenzverstärkerschaltungen Anwendung, wie sie beispielsweise aus der Veröffentlichung von K. Günzel »Der Operationsverstärker — ein universelles Bauelement der Elektronik«, Funk-Technik 1970, Nr. 22, Seite bekannt sind.

Auch das Vorspannen elektromagnetischer Wandler zur Erzielung einer besseren Wiedergabe ist bekannt. Typisch für solche Voirspannungserzeugung ist das Vorspannen magnetoresistiver Wandler. Solchen Wandlern wird üblicherweise ein Gleichstrom mit einem Wert zugeführt, der geeignet ist, die besten Resultate aus der Sicht eines Technikers zu erzielen. Auf diese Anwendung folgt häufig eine Verstärkerschaltung mit automatischer Verstärkungsregelung, die einige spezielle ihr gegebene Eigenschaften aufweist die das wiedergewonnene Signal verbessern.

Ein Beispiel für das Vorspannen eines magnetoresistiven Wandlers ist in dem US-Patent 38 40 898 beschrieben, während aus dem US-Patent 37 23 894 eine Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung bekannt ist. Kombiniert man einen vorgespannten magnetoresistiven Wandler nach dem Stand der Technik mit einer Verstärkerschaltung, wie «re in dem US-Patent 37 23 894 beschrieben ist so würde das durch den magnetoresistiven Kopf erzeugte Signal überhaupt nicht verstärkt, sondern lediglich durch die Serienschaltung einer Eingangs-PIN-Diode in der Eingangsschaltung des Verstärkers gedämpft Außerdem ist die Dämpfung frequenzabhängig (einschließlich der Störfrequenz), da die PIN-Dioden als Dämpfungsglieder für hochfrequente Wellen und/oder Impulse wirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen von einem Gleichstrom durchflossenen elektromagnetischen Wandler, dessen Ausgangssignale einem mehrstufigen Differenzverstärker zugeführt werden, anzugeben, die neben einer Verstärkung der Ausgangssignale des elektromagnetischen Wandlers auch sicherstellt, daß der Wandler im linearen Teil seiner Kennlinie arbeitet.

Diese Aufgabe wird mit einer eingangs genannten Schaltungsanordnung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß an den Ausgang des mehrstufigen Differenzverstärkers auch ein Schaltungszweig angeschlossen ist, über den der den Wandler durchfließende Gleichstrom, der den Arbeitspunkt auf der Wandler-Kennlinie bestimmt, so beeinflußt wird, daß der Arbeitspunkt im linearen Kennlinienteil liegt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert von denen zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild, das den Stand der Technik für magnetoresistive und ähnliche Wandler wiedergibt;

Fig.2 ein Funktionsschartbild der Grundschaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung und

Fig.4(a) und 4(b) ein Schaltbild eines praktischen Ausführungsbeispieles einer Schaltung gemäß der Erfindung.

Das Schaltbild nach F i g. 1 gibt eine Anordnung nach dem Stand der Technik wieder. Die Schaltung 10 umfaßt ein Paar von Klemmen 11,12, die als Ausgangsklemmen eines elektromagnetischen Wandlers dienen, der durch die gestrichelte Linie 14 angedeutet ist, und die gleichzeitig als Eingangsklemmen der nachfolgenden Schaltung dienen, die einen Differenzverstärker 16 enthält, der über Kondensatoren 17,18 an die Klemmen 11, 12 angekoppelt ist. Das von dem Wandler 14 erzeugte Signal erscheint verstärkt an den Ausgangsklemmen 21, 22. Der elektromagnetische Wandler 14 wird später im Interesse der Klarheit als magnetoresistiver Wandler beschrieben, aber es ist offensichtlich, daß irgendein elektromagnetischer Wandler, der einen Gleichstrom als Vorstrom erfordert, gemäß der nachfolgenden Lehre verwendet werden kann. Weitere Einzelheiten eines typischen magnetoresistiven Wandlers sind in den US-Patenten 38 40 898 und insbesondere 38 13 692 beschrieben. Das Diagramm für den Wandler 14 ist das eines magnetoresistiven Wandlers, der durch einen Schichtwiderstand, welcher gewöhnlich als Rs bezeichnet wird und durch einen Widerstand 24

dargestellt ist, der in Reihe mit einem veränderbaren Widerstandselement liegt, das gewöhnlich als AR bezeichnet wird und durch ein Widerstandselement 26 dargestellt ist, dessen Wert sich mit einem magnetischen Feld Wänden, das beim Bewegen des Wandlers 14 über einem magnetischen Speichermedium angelegt wird, indem die wiederzugebenden Signale gespeichert sind. Von einer geeigneten Gleichstromquelle, beispielsweise der, die zur Speisung der Verstärkerschaltung 16 dargestellt ist, wird den Klemmen 11, 12 ein Gleichstrom zugeführt, um dem elektromagnetischen Wandler 14 einen Vorstrom zuzuleiten.

Die üblichen in Verbindung mit magnetoresistiven Wandlern benutzten Verslärker erzeugen, wie die dargestellte Kombination, Ausgangssignale, die oft um ±40% variieren. Mindestens ein und gewöhnlich zwei Koppelkondensatoren sind erforderlich. Gemäß der Erfindung kann die Signalvariation auf ±11% reduziert werden, wie später gezeigt wird.

Der elektromagnetische Wandler 14 enthält beispielsweise in einem 75 um dicken magnetoresistiven Wandler einen Schichtwiderstand /?sdessen Wert, wenn er mit üblichen Mitteln hergestellt wird, von Einheit zu Einheit um ± 30% variiert. Das variable Widerstandselement AR ändert sich mit dem angelegten magnetischen Feld. Wenn das angelegte Magnetfeld null ist, ist AR gleich null. Wenn das angelegte Magnetfeld einen minimalen Wert überschreitet, der erforderlich ist, um das Element zu sättigen, dann gilt

AR kR_B

in der k eine Konstante ist, die bei üblicher Herstellung von Einheit zu Einheit zwischen 0,02 und 0,025 schwankt. Der durch die Widerstandselemente 24 und 26 fließende Gleichstrom wird durch die Werte der Widerstände 28, 30 und die angelegte Gleichspannung bestimmt. Der Wechselstrom oder die sich ändernde Signalspannung, die bei Bewegung am Wandler erscheint, wird über die Kondensatoren 17, 18 der Verstärkerschaltung 16 zugeführt. Wenn sich der Widerstand des Schichtwiderstandes 24 von Einheit ?u Einheit um ±30% ändert und der Wert k um ±11%, dann ändert sich der magnetisch veränderbare Widerstand des Widerstandes 26 etwa um ±40%. Bei einem festen den Wandler durchfließenden Gleichstrom ändert sich die Signalspannung an den Klemmen 11,12, die eine Wechselspannung darstellt und durch den sich ändernden Spannungsabfall an dom durch ein Magnetfeld veränderbaren Widerstand'ielement 26 erzeugt wird, um ±40%. Es Wa"⁰. erwünscht, 75 μην oder 50 μιη-Wandler zu verwenden, jedoch besitzen die letzteren einen Schichtwiderstand von ungefähr 24 Ohm + 30%. Die Verwendung des letzteren Wandlers zusammen mit dem Verstärker 16 hat eine noch schlechtere Signalvariation zur Folge.

Der Widerstandswert AR beträgt jedoch etwa 2% des Wertes des Schichtwiderstandes Rs. Durch Einstellen des die Serienschaltung der Widerstände des elektromagnetischen Wandlers 14 durchfließenden Gleichstromes ist es möglich, einen vorgegebenen Spannungsabfall längs der Schaltung an den Klemmen 11,12 zu erzeugen, wobei 98% oder nahezu der gesamte Widerstand in dem Wandler der Schichtwiderstand ist, der durch den Widerstand 24 dargestellt ist.

K,, = IbAR = kl„R_B, (2)

wird, wenn der Gleichstrom In so variiert wird, daß das Produkt aus /sund Ab einem vorgegebenen Spannungswert entspricht, die einzige Variation des Signals jetzt veranlaßt durch eine Variation der Konstanten k, die eine Toleranz von 11 % besitzt.

Ein gewünschter durchschnittlicher Spannungswert an dem Wandler 14 beträgt beispielsweise 40 Millivolt. Sein Schichtwiderstand R_s besitzt den Wert 26 Ohm. Dann wird gemäß der Erfindung der Gleichstrom durch den Wandler eingestellt auf

Ib = 0,040/26 = 1,54 ma. (3)

Der resultierende Wechselstrom oder das sich ändernde Signal ist

= IbAR = kl_BR_B = 1,54 k max. 26 Ohm
= k ■ 40 Millivolt.

Für einen anderen mit den Klemmen 11, 12 zu verbindendem Wandler mit einem Schichtwiderstand R₅ = 46 Ohm wird der Vorstrom so eingestellt, daß

I_B R_B = 40 Millivolt und

I_B = 0,040/46 = 0,87 ma. {6)

Das erhaltene sich ändernde Ausgangssignal ist

V_x = Ib AR = Ar (0,87) (46)

= k ■ 40 Millivolt. (7)

Durch Einstellen des Gleichstromes in dieser Weise ist gemäß der Erfindung die einzige Änderung des Ausgangsäignals, die übrig bleibt, eine Änderung aufgrund der Konstanten k. Die große Variation in dem Schichtwidcocandselement wird durch die Änderung des Gleichstromes kompensiert.

F i g. 2 zeigt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zur automatischen Zuführung eines Vorstroms für den Wandler. Eine aus den direkt in Kaskade geschalteten Differenzverstärkern 41, 42 und 43 bestehende Verstärkerschaltung ist zwischen den

*o Eingangsklemmen 11, 12 und den Ausgangsklemmen 2V, 22' angeordnet. Ein Gleichstrom wird den Klemmen 11, 12 durch eine Serienschaltung zugeführt, die eine Vorrichtung 44 zur Erzeugung einer Bezugsspannung und eine Schaltung 45 zur Erzeugung eines im

·>' wesentlichen konstanten Stromes enthält, die eine Steuerklemme 46 aufweist, die die Veränderung des die Widerstandselemente 24 und 26 durchfließenden Gleichstromes ermöglicht, wenn das gewünscht wird. Die an die Klemme 46 angelegte Steuerspannung wird

"'<> mittels einer Schaltung 48 zur Erzeugung eines Steuerstromes aus dem an der Ausgangsklemme 21' der Verstärkerschaltung erscheinenden Ausgangsgröße abgeleitet. Vorzugsweise ist der von der Schaltung 48 gelieferte Steuerstrom geglättet, so daß die erzeugte

Änderung beträchtlich langsamer erfolgt als die Änderungen in dem veränderlichen Ausgangssignal an den Klemmen 2Γ, 22'. Ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Glättung ist beispielsweise als ein Kondensator 50 dargestellt. Der Gleichspannungspegel am Ausgang der Verstärkerschaltung bildet eine wesentliche Komponente bei der Entwicklung eines Steuerstromes zur Änderung des den elektromagnetischen Wandler 14 durchfließenden Gleichstromes zur Verbesserung der Charakteristik des Wandlers und um das veränderliche Ausgangssignal im linearen Teil der Kennlinie der Verstärkerschaltung zu halten.

Fig. 3 ist das Schaltbild einer einfachen elektronischen Schaltung zur automatischen Einstellung des

Gleichstromes. Gleiche Bezugszeichenbezeichner sehr ähnliche elektronische Schaltungen. Zur Erläuterung ist eine Zelle 52 oder eine Batterie mit einem Wert, der im wesentlichen gleich der Offsetspannung Vas ist, in der Eingangsschaltung des ersten Verstärkers 41 dargestellt. Der Gleichstrom fließt über die Klemme U, das Schichtwiderstandselement 24, das durch ein Magnetfeld veränderbare Widerstandselement 26, die Klemme 12, den Kollektor-Emitterkreis einer Halbleiterschaltung, die hier als eine Darlington-Schaltung der Transistoren 34, 55 dargestellt ist und über einen Emitterwiderstand 56. Eine Steuerspannung zur Bildung des Steuerstromes wird mittels eines Differenzverstärkers 60 entwickelt, der als Vergleichsschaltung dient, die mit der Ausgangsklemme 2Γ für das veränderliche Ausgangssignal und der Klemme 62 einer Spannungsquelle 62, 64 verbunden ist, die eine feste Bezugsspannung liefert. Die Ausgangsklemme der Verstärkerschaltung 60 ist über ein Tiefpaßfilter 66, das hier als aus einem Serienwiderstand 68 und einem Parallelkondensator 50' bestehend dargestellt ist, mit der Steuereingangsklemme 46' verbunden. Im Betrieb vergleicht der Verstärker 41 die Spannung zwischen den Klemmen 11, 12 mit der durch die Zelle 52 dargestellten Offsetspannung und verstärkt die Differenz. Diese Differenz Vm r — VOs wird durch die Verstärker 42 und 43 weiterverstärkt und erscheint an den Ausgangsklemmen 2Γ, 22'. Diese verstärkte Spannung wird mit der festen Bezugsspannung verglichen und ebenfalls durch den Verstärker 60 verstärkt. Die am Ausgang des als Vergleichsschaltung dienenden Verstärkers 60 erhaltene Ausgangsspannung steuert direkt den Gleichstrom durch den Wandler 14. Das Rückkopplungsnetzwerk dient dazu, die Differenz-Eingangsspannung für den ersten Verstärker 41 sehr niedrig zu halten. Dies wird bei der Schaltung gemäß der Erfindung durch Einstellen des Gleichstroms durch die Widerstandselcmente 24 und 26 erreicht, um den Spannungsabfall des Wandlers an den Klemmen II, 12 gleich der durch die Zelle 52 dargestellten Offsetspannung zu machen. Für eine Offsetspannung von beispielsweise 0,04 Volt, wird der Gleichstrom Ib durch das Rückkopplungsnetzwerk auf 1.5 Milliampere für einen Wandler mit 26 0hm eingestellt. In ähnlicher Weise beträgt der Gleichstrom 1,11 Milliampere für einen Wandler mit 36 Ohm und 0.78 Milliampere für einen Wandler mit 46 Ohm. In allen

drei Fällen besitzt das veränderliche Ausgangssignal des Wandlers an den Klemmen 11, 12 den Wert k ■ 40 Millivolt oder 0.9 Millivolt ± 11%. Die Verstärkcrschaltungen 41 ... 42, sind direkt mit dem Wandler gekoppelt, wodurch die Notwendigkeit und auch der nachteilige Einfluß eines üblichen Kopplungskondensators eliminiert wird. Dies wird durch die Art und Weise bewerkstelligt, in der das Rückkopplungsnetzwerk angeordnet ist, um den Gleichstromarbeitspunkt für die Verstärkerkette festzulegen.

Fig.4 zeigt ein vollständiges Schallbild einer auf einem Halbleiterplättchen realisierten und in der Praxis geprüften Schaltung. Sehr ähnliche Schallungsteile sind durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet und Schaltungsteile, die sich bis zu einem gewissen Grad voneinander unterscheiden, aber doch im wesentlichen ähnlich sind, sind durch Bezugs/eichen mit hochgesetztem Strich gekennzeichnet. Die Gleichspannung, die rhcr durch die Schaltung 44 bezeich

hier in einer Schaltung 44' erzeugt, die einen Transistor 70 und drei Widerstände aufweist. Drei in Kaskade geschaltete Transistoren 74, 75 und 76 bilden die Steuerschaltung 45'. Die als Vergleichsschaltung dienende Verstärkerschaltung 60' enthält die Transistoren 80

y, und 82. wovon der letztere einen l.astwiderstand 84 besitzt. Die am Lastwiderstand 84 erscheinende Ausgangsspannung wird über den Widerstand 78' der Steuefvngangsklemme 46' zugeführt. Die Spannungsquelle für den Steuerstrom besteht wie beschrieben aus

JH den Transistoren 74, 75 und 76. Der Widerstand 78 dient hauptsächlich dazu, den Strom durch die letzteren Transistoren zu begrenzen. Ein Kondensator 50' bildet ein /?C-Filter mit dem Lastwiderstand 84. Die gewählten Werte ergeben eine Periode von vier Sekunden, was 0,04 Hz entspricht. Die hohen Impedanzen im Kollektorkreis des Transistors 82 ergeben das beschriebene Filter. Die Offsetspannung Vos wird erzeugt durch Speisen der beiden Eingangstransistoren 86 und 88 mit verschiedenen Emitterströmen. Zwei Transistoren 90 und 92. die Konstantstromquellen angehören, liefern einen Strom von 52 Mikroampere bzw. 230 Mikroampere an die beiden Eingangstransistoren, so daß diese unterschiedliche Basis-Emitterspannungen aufweisen. Die Differenz dieser Basis-Emitterspannungen beträgt

4·, 38,5 Millivolt, welcher Wert die Offsetspannung für die dargestellte Schaltung ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Signale eines elektromagnetischen Wandlers, der von einem Gleichstrom durchflossen wird und dessen Ausgangssignale einem mehrstufigen Differenzverstärker zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des mehrstufigen Differenzverstärkers auch ein Schaltungszweig (60, 66, 45'; Fig.3) angeschlossen ist über den der den Wandler durchfließende Gleichstrom, der den Arbeitspunkt auf der Wandler-Kennlinie bestimmt, so beeinflußt wird, daß der Arbeitspunkt im linearen Kennlinienteil liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch '5 gekennzeichnet, daß der an den Ausgang des mehrstufigen Differenzverstärkers angeschlossene Schaltungszweig den den elektromagnetischen Wandler durchfließenden Gleichstrom über eine mit dem Wandler in Reihe liegende steuerbare KonstantstrojT>.quelle (45') beeinflußt

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Konstantstromquelle Transistoren (54_S 55) in Darlington-Schaltung enthält

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des an den Ausgang des mehrstufigen Differenzverstärkers angeschlossenen Schaltungszweiges durch einen als Vergleicher dienenden weiteren Differenzverstärker (60) gebildet wird, dessen zweiter Eingangsklei.ime eine Bezugs-Gleichspannung zugeführt wird.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet,:' iß der Ausgang des Vergleichers über ein Tiefpaßfilter (66) mit sehr niedriger Grenzfrequenz an die steuerbare Konstantstromquelle angeschlossen ist.