采用多模式传感电路用于多个头部传感器元件的数据存储设备的制作方法

数据存储设备诸如盘驱动器包括盘和头部，该头部连接到致动器臂的远侧端部，该致动器臂通过音圈马达(vcm)围绕枢轴旋转，以将头部径向定位在盘上。该盘包括多个径向隔开的同心轨道，其用于记录用户数据扇区和伺服扇区。伺服扇区包括头部定位信息(例如，轨道地址)，该头部定位信息由头部读取并由伺服控制系统处理，以在致动器臂从磁道到磁道的搜索时控制它。

通常通过调制感应线圈中的写入电流将数据写入盘，以在称为饱和记录的过程中将磁转换记录到盘表面上。在回读期间，磁转变由读取元件(例如，磁阻元件)感测，并且所得到的读取信号由合适的读取通道解调。热辅助磁记录(hamr)和微波辅助磁记录(mamr)是最近的发展，通过在写入操作期间加热盘表面来提高写入数据的质量，以降低磁介质的矫顽磁力，从而使写入线圈生成的磁场能够更容易磁化盘表面。

由于盘以高速旋转，因此在头部与盘之间形成了空气轴承。由于写入/读取信号的质量取决于头部的飞行高度，因此传统头部(例如，磁阻头部)可包括用于控制飞行高度的致动器。可以采用任何合适的动态飞行高度(dfh)致动器，诸如通过热膨胀控制飞行高度的加热器，或压电(pzt)致动器。飞行高度也可能受到头部的其他扩展部件的影响，诸如当近场换能器(nft)朝向盘突出同时用激光器(hamr)加热盘时。因此，期望确定适当dfh设置(例如，施加到加热器的适当电流)，其在写入和读取操作期间实现头部的目标飞行高度。为此，可以将触地传感器集成到头部中以确定使得头部的部件(例如，nft)接触盘表面的dfh设置。

图1a示出了现有技术的盘驱动器，其包括头部2和控制电路6，该头部具有集成的触地传感器4，该控制电路包括差分放大器8，该差分放大器被配置为感测触地传感器4上的电压变化。触地传感器4通过两条引线耦接到控制电路6，每条引线连接到触地传感器4的相应端。控制电压10被施加到触地传感器4的一端，以便使传感器偏置，使得其在线性范围内操作。触地传感器4可以是热敏电阻，其具有随着飞行高度的减小而变化和/或当头部接触盘表面时的电阻。所得的电阻变化被转换为差分放大器8输出的单端输出12的电压。

图1b示出了现有技术的控制电路6，其用于生成表示触地传感器4的响应的单端输出12。控制电路6包括共栅差分放大器，其具有与共栅串联的偏置电压14，该通用栅极在触地传感器4上生成相应的偏置电压。电流源161和162偏置共栅差分放大器的每个支路，以抵消来自偏置电压14的偏置电流的影响，从而实现单端差分输出12的零参考点(即，静止状态)。控制电压18偏置晶体管201和202的栅极，以设置rsense14相对于接地电位的电压。控制电压18耦接到差分放大器的正端子侧(+)，但是在其他实施方案中，它可以耦接到负端子侧(-)，或者作为放大器输入的共模电压。

图1b中所示的控制电路6的小信号响应可以描述为：

v输出＝v输入*g1

其中gm为晶体管的电导系数。

附图说明

图1a示出了头部的现有技术配置，其包括触地传感器和用于生成表示触地传感器的响应的单端输出的控制电路。

图1b示出了现有技术的控制电路，其包括共栅差分放大器，用于生成表示触地传感器的响应的单端输出。

图2a和图2b示出了根据一个实施方案的盘驱动器形式的数据存储设备，包括在盘上致动的头部，其中该头部包括至少两个传感器元件。

图2c是根据一个实施方案的流程图，其中控制电路可以将偏置信号施加到一个或两个传感器元件以生成单端或差分输出。

图3示出了根据一个实施方案的控制电路，该控制电路包括用于实现放大器的共用晶体管，该放大器被配置成为每个传感器元件生成单端输出，或者基于每个传感器元件上的电压差来实现差分输出。

图4示出了根据一个实施方案的被配置为第一单端模式以便感测第一传感器元件的响应的控制电路。

图5示出了根据一个实施方案的被配置为第二单端模式以便感测第二传感器元件的响应的控制电路。

图6示出了根据一个实施方案的被配置为差分模式以便感测第一传感器元件和第二传感器元件的差分响应的控制电路。

图7示出了根据另选实施方案的控制电路，其包括用于实现放大器的共用晶体管，该放大器被配置为为每个传感器元件生成单端输出。

图8示出了根据另选实施方案的控制电路，该控制电路包括桥接电路，该桥接电路被配置为当处于差分模式时同时向第一传感器元件和第二传感器元件施加偏置信号。

具体实施方式

图2a示出了根据一个实施方案的盘驱动器形式的数据存储设备，包括在盘24上致动的头部22，其中头部22包括第一传感器元件261和第二传感器元件262(图2b)。盘驱动器还包括控制电路28，该控制电路被配置为执行图2c的流程图，其中生成偏置信号(块30)，并且当配置为第一单端模式(块32)时，将偏置信号施加到第一传感器元件，以基于第一传感器元件的响应生成第一单端输出信号(块34)。当配置为第二单端模式时(块36)，将偏置信号施加到第二传感器元件，以基于第二传感器元件的响应生成第二单端输出信号(块38)。当配置成差分模式(块40)时，将所述偏置信号同时施加到所述第一传感器元件和所述第二传感器元件，以基于所述第一传感器元件和所述第二传感器元件的响应生成差分输出信号(块42)。

在图2b的实施方案中，第一引线44将第一传感器元件261的第一端部连接到控制电路28，并且将第二传感器元件262的第一端部连接到控制电路28。第二引线46将第一传感器元件261的第二端部连接到控制电路28，并且第三引线48将第二传感器元件262的第二端部连接到控制电路28。因此，该实施方案采用三条引线来偏置一个或两个传感器元件，以及检测传感器元件的响应。与采用四条引线(每个传感器元件的两条引线具有单独的传感电路，如图1b所示)相比，采用从控制电路28到头部22的三个引线降低了成本。

在图2b中可以采用任何合适的传感器元件，诸如触地传感器或温度传感器，该温度传感器被配置为测量hamr中的近场换能器的温度或mamr中的自旋扭矩振荡器(sto)的温度。在一个实施方案中，一个或两个传感器元件可包括具有随温度变化的电阻的热敏电阻。因此，在一个实施方案中，可以将偏置信号(例如，偏置电压或偏置电流)施加到传感器元件，并且可以响应于温度的变化来测量电阻的变化。例如，可以通过向传感器元件施加偏置电流并测量由于电阻变化引起的传感器元件上的电压变化来测量电阻的变化。

图3示出了根据一个实施方案的控制电路，该控制电路包括用于实现放大器的共用晶体管，该放大器被配置为为每个传感器元件生成单端输出，或者基于每个传感器元件上的电压差来实现差分输出。在图3的实施方案中，取决于操作模式(单端模式或差分模式)，三个晶体管501-503中的两个可以被配置为共栅差分放大器。各自的偏置电压521和522在各自的传感器元件261和262上施加各自的偏置电压，校准各自电流源541-543，以向每个传感器元件施加电流，以抵消来自偏置电压52的偏置电流的影响，从而实现单端或差分输出的零参考点(即静止状态)。可以采用任何合适的技术来校准电流源541-543以实现静止状态，诸如通过调整控制电流源541-543的数模转换器(dac)的输入，直到感测到的共栅差分放大器的输出基本为零。其他实施方案可采用模拟技术来感测共栅差分放大器的输出并调整电流源541-543直到输出基本为零。

图4示出了当配置为第一单端模式时图3的控制电路，以便检测第一传感器元件261的响应。在该实施方案中，晶体管501和502用于实现共栅差分放大器。图5示出了当配置为第二单端模式时图3的控制电路，以便检测第二传感器元件262的响应。在该实施方案中，晶体管502和503用于实现共栅差分放大器。

图6示出了当配置为差分模式时图3的控制电路，以便检测第一传感器元件和第二传感器元件261和262的差分响应。在该实施方案中，晶体管501和503用于实现共栅差分放大器。注意，偏置电压521和522的相反极性，其在第一传感器元件和第二传感器元件261和262上施加相反极性的偏置电压，使得共栅差分放大器检测由传感器元件261与262引起的电压之间的差异，例如，由于热敏电阻的电阻变化。在差分模式中，电流源541-543被配置为使得每个传感器元件上的电压相等，从而实现输出电压的零参考点(静止状态)。图6的控制电路的小信号响应可以描述为：

v输出＝v输入*g1

其中rsense≈rsense1≈rsense2和gm是晶体管电导系数。假设两个传感器元件的温度系数基本相等，则使用乘数k表示共栅差分放大器的依赖于温度的小信号的增益：

如果增益k由于温度变化而从1变为1.3，如果则v输入仅增加6％。因此，当处于差分模式时，小信号响应基本上不受温度变化的影响。

在一个实施方案中，采用差分模式来检测传感器元件261和262中的一者的响应提供了超过单端模式的某些优点。例如，如果在正常操作期间盘驱动器的环境温度改变，则对传感器元件261和262的所得效果被抵消，因为环境温度的变化将影响两个传感器元件的直流电响应大致相同的量(由于温度系数基本相等)，而基本上不影响如上所述的控制电路的小信号差分响应。另外，差分模式可以改善控制电路的灵敏度，因为传感器元件的差分响应抵消了传感器元件的直流电响应。也就是说，减去直流电响应，仅留下传感器元件响应之间的差值作为共栅差分放大器的输入。在一个实施方案中，当配置为差分模式时，传感器元件中的一者用作参考元件，以便检测另一传感器元件的响应。例如，在第一传感器元件是触地传感器的实施方案中，该传感器元件可以被认为是未使用的参考元件，例如，在写入操作期间(例如，当第二传感器元件可用于测量nft或sto的温度时)。

图7示出了根据另选实施方案的控制电路，其包括共享晶体管561、562和563，其用于实现被配置为为每个传感器元件261和262生成单端输出的放大器。当感测第一传感器元件261的响应时，开关被配置为使晶体管562能够与晶体管563一起形成共栅差分放大器。当感测第二传感器元件262的响应时，开关被配置为使晶体管561能够与晶体管563一起形成共栅差分放大器。在该实施方案中，电流源581和582可以被配置为取决于启用哪个传感器元件来生成不同幅度的电流。也就是说，建立静止状态(零参考点)所需的校准电流可以取决于偏置电压52偏置哪个传感器元件而不同。

图8示出了根据另选实施方案的控制电路，该控制电路包括桥接电路，该桥接电路被配置为当处于差分模式时同时向第一传感器元件和第二传感器元件261和262施加偏置信号。在一个实施方案中，图7的控制电路与图8的控制电路组合成单个集成电路(例如，前置放大器电路)，其可被配置为单端模式(图7)或差分模式(图8)。在图8中，电流源60以偏置电流的形式生成偏置信号，该偏置电流通过桥接电路同时施加到两个传感器元件261和262。校准电流源622和622以建立差分输出的静止状态(零参考点)，并且电压源vctr_fb64被配置为实现vctr的期望直流电电压电平。可以使用相对慢的反馈控制回路(未示出)来感测vctr并且将vctr_fb调整为vctr的正确操作点。例如，在配置电流源60和电压源vctr_fb64(例如，达到传感器元件的期望线性响应范围)之后，可以调整电流源622和622，直到差分输出为零(而传感器元件261和262处于其静止状态)。用于图8的控制电路的小信号响应可以描述为：

其中r1＝rsense1并且r2＝rsense2。

可以采用任何合适的控制电路来实现上述实施方案中的流程图，诸如任何合适的集成电路或电路。例如，控制电路可以在读取通道集成电路内实现，或者在与读取通道分开的部件中实现，诸如盘控制器，或者上述某些操作可以由读取通道执行，而其他操作由盘控制器执行。在一个实施方案中，读取通道和盘控制器被实现为单独的集成电路，并且在另选实施方案中，它们被制成单个集成电路或片上系统(soc)。另外，控制电路可以包括合适的前置放大器电路，其实现为单独的集成电路，集成到读取通道或盘控制器电路中，或集成到soc中。

在一个实施方案中，控制电路包括执行指令的微处理器，这些指令可操作以使微处理器执行本文描述的流程图。指令可以存储在任何计算机可读介质中。在一个实施方案中，它们可以存储在微处理器外部的非易失性半导体存储器中，或者与soc中的微处理器集成。在另一实施方案中，指令存储在盘上并在盘驱动器通电时读入易失性半导体存储器。在又一个实施方案中，控制电路包括合适的逻辑电路，诸如状态机电路。

在各种实施方案中，盘驱动器可以包括磁盘驱动器、光盘驱动器等。另外，虽然上述示例涉及盘驱动器，但是各种实施方案不限于盘驱动器并且可以应用于其他数据存储设备和系统，诸如磁带驱动器、混合驱动器(盘加固态)等。另外，一些实施方案可以包括电子设备，诸如计算设备、数据服务器设备、媒体内容存储设备等，其包括如上所述的存储介质和/或控制电路。

上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合都旨在落入本公开的范围内。另外，在一些具体实施中可以省略某些方法、事件或过程块。本文描述的方法和过程也不限于任何特定序列，并且与其有关的块或状态可以以适当的其他序列执行。例如，所描述的任务或事件可以以不同于具体公开的顺序执行，或者多个可以在单个块或状态中组合。示例任务或事件可以串行、并行或以某种其他方式执行。可以向所公开的示例性实施方案添加任务或事件或从中删除任务或事件。本文描述的示例性系统和部件可以与所描述的进行不同地配置。例如，与所公开的示例性实施方案相比，可以添加、移除或重新布置元件。

虽然已经描述了某些示例性实施方案，但是这些实施方案仅作为示例呈现，并且不旨在限制本文公开的发明的范围。因此，前面的描述中的任何内容都不旨在暗示任何特定的特性、特征、步骤、模块或块是必需的或必不可少的。实际上，本文描述的新颖方法和系统可以以各种其他形式体现；此外，在不脱离本文公开的实施方案的精神的情况下，可以对本文描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。