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用于机械硬盘读取通道的可编程增益放大器和低通滤波器研究

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摘要

第1章 前言

第2章 机械硬盘工作原理

2.1 磁性记录原理

2.1.1 磁性写入过程

2.1.2 磁性读取过程

2.2 机械硬盘工作原理

2.2.1 机械硬盘结构

2.2.2 区域数据记录技术

2.3 机械硬盘读取通道原理

2.3.1 读取通道架构

2.4 理想读取通道建模

2.5 部分响应最大似然检测原理

2.5.1 部分响应原理

2.5.2 最大似然检测原理

2.5.3 部分响应最大似然读取通道频率响应

2.6 机械硬盘发展趋势和挑战

2.7 读取通道对可编程增益放大器和低通滤波器的指标需求

2.7.1 可编程增益放大器指标

2.7.2 低通滤波器指标

2.8 小结

第3章 宽带高精度可变/可编程增益放大器研究

3.1 自动增益控制原理

3.2 指数线性可变增益技术分析与比较

3.2.1 指数控制电压

3.2.2 指数近似函数

3.2.3 电阻阵列

3.2.4 基于双重反馈网络的衰减器

3.2.5 现有指数线性可变增益技术的比较

3.3 宽带高精度可编程增益放大器设计

3.3.1 高精度可编程增益放大器架构设计

3.3.2 基于双重反馈网络的高精度增益控制单元

3.3.3 基于Cherry-Hooper放大器的高精度增益控制单元

3.3.4 增益控制单元跨导阵列单元尺寸设计

3.3.5 增益控制单元跨导阵列版图布局设计

3.3.6 固定增益放大器设计

3.3.7 增益误差校准

3.4 宽带高精度可编程增益放大器测试结果

3.4.1 测试方案

3.4.2 测试结果

3.5 小结

第4章 宽带大范围可调滤波器技术研究

4.1 积分器结构研究

4.1.1 积分器类型比较

4.1.2 积分器非理想性研究

4.1.3 在不同带宽下保持恒定的频率响应曲线形状

4.2 品质因素控制原理

4.3 宽带大范围可调运算跨导放大器技术研究与比较

4.3.1 Nauta积分器

4.3.2 源极负反馈积分器

4.3.3 恒定电容运算积分器

4.3.4 负载为电容阵列的积分器

4.3.5 现有宽带大范围可调积分器的比较

4.4 宽带大范围可调低通滤波器设计

4.4.1 基于寄生电容的宽带大范围可调积分器设计

4.4.2 滤波器架构和运算跨导放大器输入管尺寸设计

4.4.3 互联寄生电容与运算跨导放大器版图设计

4.5 宽带大范围可调低通滤波器版图后仿真结果

4.5.1 消除各种寄生对滤波器频率响应测试的影响

4.5.2 版图后仿真结果

4.6 小结

第5章 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

已发表的论文和专利

致谢

声明

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摘要

本文的研究内容是用于机械硬盘读取通道的宽带可编程增益放大器和宽带大范围可调连续时间低通滤波器。
  通过对机械硬盘工作原理和读取通道模型进行分析可以看出,机械硬盘读取通道模拟前端中需要同时具有高带宽、低增益误差和小增益步长的可编程增益放大器,以及同时具有大可调范围和高带宽的连续时间低通滤波器。
  传统的宽带可变/可编程增益放大器无法满足读取通道对增益误差的需求,而高增益精度的衰减/增益可变技术则无法达到高带宽或者小步长。本文提出了两种基于两级增益控制的可编程增益放大器以同时提供低增益误差和小增益步长。第一种可编程增益放大器基于双重反馈网络,通过加入补偿网络改善了电路的高频性能。第二种可编程增益放大器通过Cherry-Hooper放大器、电感负载和负密勒补偿电容技术提高可编程增益放大器的带宽。两种可编程增益放大器都采用SMIC0.13μm CMOS工艺进行流片,测试结果表明两种可编程增益放大器都具有0.1dB的增益步长。它们的带宽分别达到600MHz和3.8GHz,增益误差分别为-0.03dB-0.08dB和-0.05dB-0.04dB。两种可编程增益放大器都同时满足了读取通道对增益误差和增益步长的需求,而第二种可编程增益放大器还满足了带宽需求。
  传统的大范围可调低通滤波器带宽有限,而宽带低通滤波器频率调节范围则较小。另外许多大范围可调低通滤波器都需要品质因素调节环路使频率响应特性曲线形状在不同带宽下保持一致。本文提出了一种电容完全由寄生电容组成的大范围可调宽带低通滤波器。滤波器中运算跨导放大器通过跨导阵列进行调节,通过电路设计使跨导阵列单元的跨导以及寄生电容都和输入晶体管栅宽成正比。因此可以通过设计不同运算跨导放大器输入晶体管栅宽之间的比值来获得恒定的品质因素,从而使滤波器在不需要品质因素调节环路的前提下,获得在不同带宽保持恒定的频率响应曲线形状。该滤波器采用SMIC0.13μmCMOS工艺进行设计,版图后仿真结果表明其频率响应曲线形状在带宽从142MHz到1.86GHz变化时保持不变,并且对工艺和温度变化不敏感。该滤波器满足了读取通道对最大带宽和带宽调节范围的需求。

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