устройства функциональной электроники-1

с последовательно включенных обмоток левого и правого контуров. Такое включение позволяет компенсировать ЭДС помехи, возникающей во внутренних петлях за счет Ip и Iсч. Считывание информации происходит с её разрушением.

Гальваномагнитные методы позволяют считывать информацию без ее разрушения. Используются датчики Холла и магниторезисторы. Площадь датчика Холла и магниторезистора должна превышать площадь домена. Датчик Холла изготавливается методами микроэлектроники. Датчик Холла может быть как из полуроводника, так и из пермаллоя. Датчик Холла показан

на рис. 5.14. ЭДС Холла Ux = kx IBh , где h – толщина пластины

Если датчик сделан из пермаллоевой пленки в виде диска с диаметром Д= 50 мкм, толщина пленки h=0,03 мкм, сопротивление R = 15 Ом, ток I = 20мА, то Uвых=0,9 мВ. Для компенсации помех от вращающегося поля используется дифференциальные включения двух датчиков Холла из пермаллоя (рис. 5.15). Левый датчик является компенсационным. Если домена нет, Uвых=0 мВ. Если домен возле правого датчика, Uвых максимально. Пермаллоевые датчики дают большую ЭДС Холла, чем полупроводниковые.

Магниторезисторы также могут быть сделаны из пермаллоевой пленки. Магниторезисторы выполняются в виде незамкнутого кольца над доменом, т.к. такой датчик не чувствителен к вращающемуся полю. Роль магниторезистора могут выполнять сами шевроны (рис 5.16). Сначала домен предварительно растягивается с помощью шевронных аппликаций. Затем в среднем наборе шевронов, соединенных перемычками, считывается и продвигается далее. Такие датчики включаются по дифференциальной схеме или мостовой.

Магнитооптические методы обнаружения доменов основаны на использовании магнитооптических эффектов Фарадея или Керра. Эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации света при его прохождении через намагниченный образец. Величина угла поворота плоскости поляризации зависит от намагниченности образца вдоль луча, а направление вращения – от направления намагничивания. С помощью оптических поляризаторов и анализаторов можно на световом экране получить изображение ЦМД в виде темных кружков. Этот метод применим к прозрачным ортоферритам и феррит – гранатам.

Эффект Керра проявляется в изменении интенсивности отраженного от ферромагнетика линейно поляризованного света в зависимости от направления намагниченности то и области ферромагнетика, на которую падает луч света.

71

Магнитооптические методы применяются только в научно – исследовательских целях.

I

Домен

Рис.5.15

Ну

Рис.5.16

5.5 Структурные элементы ЗУ на ЦМД

Кроме генераторов и аннигиляторов ЦМД, устройств считывания информации при построении ЗУ используются и другие элементы: динамические ловушки доменов, элементы пересечения, компрессоры, делители доменов, переключатели направления движения доменов и другие.

Динамическая ловушка показана на рис. 5.17. Она обведена пунктиром, используется для задержки домена в канале продвижения до

72

момента поступления на ее вход следующего домена. Домен, продвигающийся в канале АВ слева направо и попавшим в ловушку, будет циркулировать в ней, занимая последовательно положения 2-1-4-3 в соответствии с направлениями вращающегося поля управления.

При поступлении на вход ловушки следующего домена (позиция 4’), за счет магнитостатического отталкивания между доменами он перейдет не в положение 3, а в положение 3” и при дальнейшем вращении поля управления будет передвигаться далее в канале АВ, а пришедший домен займет место в ловушке.

Элемент пересечения строится на основе динамической ловушки и используется для развязки пересекающихся каналов продвижения доменов.

Компрессор позволяет переделить домен за один такт работы Ну на расстояния, равные нескольким периодам оборота Ну. Он состоит из ряда последовательно соединенных динамических ловушек.

Делитель доменов обеспечивает разветвление информации. Переключатель позволяет направлять ЦМД в один из возможных

каналов продвижения.

Структурные элементы подробно описаны в [29], [32]. Топология переключателя доменов, например, приведена на рис.5.18.

73

Рис.5.18

5.6. ЗУ на ЦМД

Структура простого ЗУ на ЦМД в виде сдвигового регистра хранения с последовательным доступом к информации приведена на рис.5.19. Здесь ЦМД формируется генератором 1, продвигается по одной длинной петле 4 к детектору 3, а затем к аннигилятору 2. Таким образом, закодированная в двоичной системе информация вводится в БИС ЗУ на ЦМД и размещается в месте магнитной пленки доменопродвигающими схемами. Информация сохраняется длительное время при отключении питания. Плотность размещения информации зависит от размера доменов. При диаметре домена 0,5 мкм плотность информации достигает 16 Мбит/см2.

Накопительные регистры могут объединяться с помощью регистров связи. Это позволяет уменьшить время поиска информации и увеличить объем запоминаемой информации. Структура БИС ЗУ на ЦМД со многими накопительными регистрами приведена на рис.5.20. Здесь 1 – накопительные регистры, 2 – регистры связи, 3 – переключатели, 4 – аннигилтор, 5 – генератор доменов, 6 – датчик считывания, 7 – шина тока управления. Пусть регистр связи пуст. Во время записи генератор 5 под действием импульсов тока, поступающих с устройства управления, последовательно производит запись числа в регистр связи. Затем по сигналу из шины 7 переключатели переводят одновременно все разряды записанного числа в накопительные регистры, где хранящееся число циркулирует под действием вращающегося поля управления Ну. При считывании информации по сигналам из шины 7 переключатели передают домены из накопительных регистров в регистр связи, а затем к датчику 6. при необходимости стереть считываемое число его

74

домены уничтожаются аннигилятором 4 по сигналу устройства управления. В серийных БИС ЗУ имеется еще регистр хранения карты дефектов. Например БИС ЗУ К1603РЦЗ содержит 600 накопительных регистров. Конструкция БИС ЗУ на ЦМД содержит микросхему ЗУ, кристаллоноситель на монтажной плате. Все это помещается внутрь ортогональных катушек индуктивности, создающих вращающееся магнитное поле. Сверху и снизу размещаются постоянные магниты. Система помещается в корпус с экраном. ЗУ на ЦМД обладают следующими достоинствами: высокой плотностью размещения информации (в объеме 5 см3 хранится 108 бит), малой потребляемой мощностью (1 мкВт/бит), низкой стоимостью. Такие ЗУ широко применяются в цифровых фотоаппаратах, в устройствах оборонного назначения.

6. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА С ПОДВИЖНЫМ МАГНИТНЫМ НОСИТЕЛЕМ

6.1. Физические основы магнитной записи и воспроизведения информации

Магнитная запись используется для запоминания звука, изображения, цифровой информации. Запись производится на магнитную ленту, диски, проволоку, барабаны. Физической основой магнитной записи является свойство ферромагнитных материалов сохранять состояние остаточной намагниченности после воздействия напряженности внешнего магнитного поля. Магнитный носитель наносится тонким слоем на поверхность ленты, диска, барабана. Магнитная пленка выполняется из магнитотвердого материала. Петля гистерезиса показана на рис. 6.1. Перед записью физическая величина преобразуется в электрический ток. Ток, проходя по обмотке записывающей головки, создает напряженность магнитного поля, амплитуда

75

напряженности пропорциональна записываемой величине. При записи магнитный носитель равномерно движется в поле записывающей головки. Поэтому отдельные участки носителя намагничиваются различно, в зависимости от мгновенного значения напряженности магнитного поля, которую создала головка в момент прохождения носителя. Пусть носитель перед записью размагничен. Головка создает напряженность НМ. При входе участка носителя в зону датчика поля он намагничивается по начальной кривой намагничивания 0-1, а при выходе – индукция снижается до значения Br, а затем до значения, соответствующего точке 2. это связано с тем, что участок носителя представляет собой элементарный магнит с замыкающимся по воздуху магнитным полем. Точка 2 определяется магнитной проводимостью воздушной части магнитной цепи между полюсами магнита. Если мгновенное значение напряженности поля записывающей головки в момент прохождения участка носителем будет Н’ (Н’ < Нm), то в процессе записи рабочая точка обегает по частному циклу 0 –1' – 2'.

Магнитное поле записывающей головки может быть ориентировано относительно вектора скорости перемещения ленты в трех направлениях: продольном, поперечном и перпендикулярном (рис.6.2). Общепринято продольное намагничивание носителя, когда лента соприкасается с записывающей головкой, не заходя внутрь зазора. Записывающая, стирающая и считывающая головки приведены на рис. 6.3. Стирание предыдущей информации можно производить постоянным или переменным магнитным полем. При стирании постоянным полем отдельные участки магнитного носителя, пройдя через сильное постоянное поле стирающей головки, приобретают остаточную индукцию, одинаковую по всей длине носителя независимо от предыдущего состояния участков. При стирании переменным полем каждый участок носителя перемагничивается полем сначала возрастающим, а затем убывающим по амплитуде по мере передвижения. Это ведет к полному размагничиванию носителя (В=0).

76

Рис.6.3

77

Рассмотрим запись синусоидального сигнала с частотой f. В рабочем зазоре δ p записывающей головки напряженность H = Hm sinω t,ω = 2π f . Так как скорость перемещения ленты v постоянна, в магнитном носителе

так, что их одноименные полюсы направлены навстречу друг другу.

замыкается по воздуху.

Рассмотрим процесс считывания записанной информации. Головки выполняют из пермаллоя или железоалюминиевого сплава. Так как μ > > 1, магнитное сопротивление головки во много раз меньше сопротивления зазора δ p . В результате при считывании магнитной записи весь поток участка ленты, расположенного перед зазором, замыкается по сердечнику головки. В

обмотке наводится ЭДС e = - NS dBdb , где B - усредненная индукция, N -

число витков, S - площадь поперечного сечения сердечника.

При прохождении ленты перед головкой индукция носителя несколько возрастает по циклу 2-3, 2’ – 3’. Это объясняется уменьшением угла от γ B ,

соответствующего магнитной проницаемости воздуха, до значения γ 2 ,

соответствующего магнитной проводимости головки. При удалении ленты от головки индукция ленты возвращается к начальному значению в точку 2 или

При записи цифровой информации в ленте создаются элементарные магнитики равной длины. Плотность записи информации (число бит на 1 мм

обеспечить записывающая головка и при которой еще наводится ЭДС в обмотке головки считывания.

78

6.2. Особенности записи аналоговой и цифровой информации

При записи информации на предварительно размагниченный носитель вследствие нелинейности кривой намагничивания материала магнитного

носителя не обеспечивается пропорциональность между Br и Hзап . Поэтому

возникают нелинейные искажения. Для их уменьшения используют запись с подмагничиванием. Подмагничивание можно производить постоянным или переменным полем. Постоянное поле сдвигает рабочие точки на линейные участки кривой намагничивания. При записи с подмагничивающим магнитным полем частота этого поля больше максимальной частоты записывающего сигнала. В результате взаимодействия двух частот в магнитной ленте записывается модулированное по амплитуде поле подмагничивания. Такой вид записи используется в магнитофонной технике.

При записи цифровой информации нелинейные искажения не играют существенной роли и подмагничивание можно не применять. Можно

использовать запись по двум уровням (+ Br и - Br ), а также по трем уровням

(+ Br , 0, - Br ). Запись по двум уровням используется чаще, так как выходной

сигнал при считывании в 2 раза выше.

Применяется также запись, в которой состояние носителя соответствует не каждой цифре, а группе цифр. Это позволяет увеличить плотность записи, но возрастают аппаратные затраты. Используется также фазокодированнная запись, в основном при записи на магнитных дисках.

В качестве магнитного носителя используется порошок оксида железа, железокобальтового феррита в смеси с лаком (целлюлоза в ацетоне). Общая доля порошка – (30-40)%. Ферролак покрывает ленту, барабан, диск. Магнитное покрытие дисков и барабанов может быть получено гальваническим способом из сплава 80% Со и 20% Ni, или из никеля. Глубина проникновения магнитного потока в ферропокрытие составляет примерно 25 мкм. Используется также запись на проволоку с диаметром 0,1 мм, покрытие Ni-Co толщиной 10 мкм. Можно использовать капроновую или нейлоновую основу.

Сердечники головок изготавливаются из пермаллоя 80НХС, алфенола, 16ЮХ, терминола 16ЮМ, ферритов.

Скорость перемещения ленты в аналоговых устройствах равна 0,381 м/с, в цифровых – (2-4)м/с.

Магнитные барабаны – цилиндры из латуни, алюминия с ферропокрытием. Дорожки – замкнутые параллельные окружности. Диаметр барабанов равен (10-30) см, скорость их вращения – несколько тысяч оборотов в минуту.

Магнитные диски выполняются также из латуни или алюминия с магнитным покрытием. Диаметр диска – 350 мм, толщина покрытия – (3-4) мкм. Скорость вращения дисков – 3600 об/мин.

79

Для записи телевизионных изображений необходима полоса частот от

50 Гц до 6,5 МГц. Так как рабочий зазор δ p , а также λ мин не могут

беспредельно уменьшаться, то увеличение верхнего предела частоты записываемого сигнала достигается увеличением скорости движения ленты относительно магнитной головки, а также за счет вращения видеоголовки, при этом используют 4 видеоголовки. При записи звукового сопровождения используют подмагничивание переменным полем.

80