Design of Adaptive Analog Filters for Magnetic Front-End Read Channels

218 Pages·2015·3.26 MB·English

School of Technology and Architecture

Design of Adaptive Analog Filters for
Magnetic Front-End Read Channels

Nuno Miguel de Figueiredo Garrido

Dissertation presented in partial fulfillment of the Requirements
for the Degree of Doctor of Science and Information Technologies

Supervisor: Prof. Doutor Augusto Afonso de Albuquerque
Co-Supervisor: Prof. Doutor Francisco António Bucho Cercas
Lisbon, February 2015

à minha família
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”Era”
– a set of years, which is counted from a particular event or named
after an important development: compare Epoch...

The computer euphoria of modern times is self-evident. The computer has invaded the
world, and will soon outnumber mankind. It has entered our quotidian lives, everywhere
and inevitably, moreover computer assisted work is becoming the only form of work.
Therefore it is natural that many call this the computer era.
Many have taken it as their subject of study, this work will be focused on the information
storage process, namely on magnetic hard disk drives.
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Sumário
Esta tese estuda o projecto e o comportamento de filtros em tempo contínuo de
muito-alta-frequência. A motivação deste trabalho foi a investigação de soluções de fil-
tragem para canais de leitura em sistemas de gravação e reprodução de dados em suporte
magnético, com custos e consumo (tamanho total inferior a 1 mm2 e consumo inferior a
1mW/polo), inferiores aos circuitos existentes. Nesse sentido, tal como foi feito neste
trabalho, o rápido desenvolvimento das tecnologias de microelectrónica suscitou esforços
muito significativos a nível mundial com o objectivo de se investigarem novas técnicas
de realização de filtros em circuito integrado monolítico, especialmente em tecnologia
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Apresenta-se um estudo compa-
rativo a diversos níveis hierárquicos do projecto, que conduziu à realização e caracteriza-
ção de soluções com as características desejadas.
Num primeiro nível, este estudo aborda a questão conceptual da gravação e trans-
missão de sinal bem como a escolha de bons modelos matemáticos para o tratamento da
informação e a minimização de erro inerente às aproximações na conformidade aos prin-
cípios físicos dos dispositivos caracterizados.
O trabalho principal da tese é focado nos níveis hierárquicos da arquitectura do
canal de leitura e da realização em circuito integrado do seu bloco principal – o bloco de
filtragem. Ao nível da arquitectura do canal de leitura, apresenta-se um estudo alargado
sobre as metodologias existentes de adaptação de sinal e recuperação de dados em suporte
magnético. Este desígnio aparece no âmbito da proposta de uma solução de baixo custo,
baixo consumo, baixa tensão de alimentação e baixa complexidade, alicerçada em tecno-
logia digital CMOS, para a realização de um sistema DFE (Decision Feedback Equaliza-
tion) com base na igualização de sinal utilizando filtros integrados analógicos em tempo
contínuo.
Ao nível do projecto de realização do bloco de filtragem e das técnicas de imple-
mentação de filtros e dos seus blocos constituintes em circuito integrado, concluiu-se que
a técnica baseada em circuitos de transcondutância e condensadores, também conhecida
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como filtros gm-C (ou transcondutância-C), é a mais adequada para a realização de filtros
adaptativos em muito-alta-frequência. Definiram-se neste nível hierárquico mais baixo,
dois subníveis de aprofundamento do estudo no âmbito desta tese, nomeadamente: a pes-
quisa e análise de estruturas ideais no projecto de filtros recorrendo a representações no
espaço de estados; e, o estudo de técnicas de realização em tecnologia digital CMOS de
circuitos de transcondutância para a implementação de filtros integrados analógicos em
tempo contínuo.
Na sequência deste estudo, apresentam-se e comparam-se duas estruturas de filtros
no espaço de estados, correspondentes a duas soluções alternativas para a realização de
um igualador adaptativo realizado por um filtro contínuo passa-tudo de terceira ordem,
para utilização num canal de leitura de dados em suporte magnético.
Como parte constituinte destes filtros, apresenta-se uma técnica de realização de
circuitos de transcondutância, e de realização de condensadores lineares usando matrizes
de transístores MOSFET para processamento de sinal em muito-alta-frequência realizada
em circuito integrado usando tecnologia digital CMOS submicrométrica. Apresentam-se
métodos de adaptação automática capazes de compensar os erros face aos valores nomi-
nais dos componentes, devidos às tolerâncias inerentes ao processo de fabrico, para os
quais apresentamos os resultados de simulação e de medição experimental obtidos.
Na sequência deste estudo, resultou igualmente a apresentação de um circuito pas-
sível de constituir uma solução para o controlo de posicionamento da cabeça de leitura
em sistemas de gravação/reprodução de dados em suporte magnético. O bloco proposto
é um filtro adaptativo de primeira ordem, com base nos mesmos circuitos de transcondu-
tância e técnicas de igualação propostos e utilizados na implementação do filtro adapta-
tivo de igualação do canal de leitura.
Este bloco de filtragem foi projectado e incluído num circuito integrado (Jaguar) de
controlo de posicionamento da cabeça de leitura realizado para a empresa ATMEL em
Colorado Springs, e incluído num produto comercial em parceria com uma empresa es-
cocesa utilizado em discos rígidos amovíveis.

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Palavras-chave: filtros contínuos adaptativos, comparação de estruturas de filtros,
igualação de sinal, tecnologia digital CMOS, processamento de sinal em corrente, circui-
tos de transcondutância CMOS, baixo consumo, muito-alta-frequência, área reduzida,
baixo custo, baixa complexidade.
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