Common Mode Servo Oscillation Issue

Common Mode Servoが発振している問題のまとめページ．

概要

2024/05の一連の測定から，Common Mode Servoの半分以上がMHzで発振していることがわかった．この問題への対処のため，測定結果・原因・対策などを以下にまとめる．

背景

• 2024/05/09の測定により，Gr PDH Y のサーボ(S1605813)から28MHzの信号が出ていることがわかった．

• 回路を持ち帰って調べたところ，同様の現象が再現できた．

• 2024/05/10の測定の測定から，Gr PDH Y の入力にIQ demodulatorの出力が繋がっていると出ることがわかった．ケーブルを疑いBNCを交換(1m → 2m)すると28MHzでのピークは消えた．

• その後の持ち帰った回路試験により，悪いのはケーブルではなくサーボ自身であることがわかった．サーボの入力段のdifferential driverが発振しやすいAD829を使っているため，入力の一方がサーボのGNDに落ちているとそこで発振する．

• 2024/05/14の測定により，交換したGr PDH Yも発振しており，ケーブルの長さを変えたことで周波数がずれた(28MHz→19MHz)だけであったことがわかった．

  • 坑内にインストールされた9台のサーボについて発振を調べたところ，9台中6台(Gr PDHX/Y, PLL X/Y, Summing node, CARM)が発振していることがわかった．

原因

詳細は霜出さんのレポートを参照．

発振の原因は，Common Mode Servoの初段のdifferential driverにある．帯域を広く取るためにAD829というオペアンプを使用しているが，このオペアンプは完全補償型ではなく発振しやすい．このため，differential driverの入力の一端がGNDに落ちていると発振してしまう．

KAGRAのCommon Mode Servoは基本的にはLIGOのデザインと大きな変更はないため，状況はLIGOにおいても同じはずである．しかし，LIGOでは(一部を除いて)Common Mode Servoの入力はdifferentialになっているためにこの問題は回避できていると思われる．一方，KAGRAではほとんどのCommon Mode Servoの入力がsingle endになっているため，入力の負極側がGNDに落ちている．入力信号のGNDとサーボのGNDがずれているならばおそらくこの問題は回避できるが，現状多くの回路はGNDが共通しているため，結果9台中6台(FIB X/YとIMC以外)が発振してしまっている．

(2024/05/16追記) その後の調査で，differentialの信号をBNCで入れても発振することがわかった．I/Q demodulatorのI/Q outをBNCの芯線を+signal，BNCのGND側を-signalにして入力した場合にも発振した．一方，single endで入れるにしても霜出さんのレポートのようにBNCのGND側がちゃんと回路のGNDに落ちていてシールドの機能を果たしていれば発振しない． Common Mode Servo同士の接続も確認した．ServoのSLOW OUT/FAST OUTのどちらでも，OUTを別のサーボのIN1/IN2に繋ぐと発振する．

(2024/05/31追記)

対策

回路室でのテストにより、フェライトコアをケーブルに巻くと28 MHzの発振が止まることが分かった。

• 5/29 klog 29677: Gr PDHやPLL、CARMやSumming nodeのケーブル周りにフェライトコアを実装した。ループアンテナで測定し、28 MHzの発振が止まっていることを確認した。

• 5/30 klog 29700: 28 MHzピークは消えたが、他にも多くのピークが観測されている。RFサイドバンドを生成するための発振器が原因かもしれないと考え、オフにして測定した。干渉計LSCで用いるサイドバンドを生成する5.6 MHzをオフにすると、最も目立っていた50 MHzピークとその他いくつかの小さなピークが消えた。これはf1の3倍波に相当する。17 MHz (f1)と90 MHz (f2の2倍波)も消えることを期待したが消えなかったため、原因は別にある。そもそもCMSから離れたところでもループアンテナは信号を拾ってしまうので、回路由来ではない可能性がある。干渉計制御のためにはこの発振器をオフにはできないため、対策を考える必要がある。

各ボード詳細

Common Board Servo Board List

Gr PDH X/Y

現状

• どちらもLSC0 rackにインストールされている．
• 直前の回路はI/Q demodulatorであり，Front panelのImonをサーボに入力している．この入力はsingle endなので，発振する．
• I/Q demodulatorにはdifferential endの信号もあり，Rear panelのDsub9ピンから出ている．現状この出力はAA chassisに繋がってデジタルに流れている．

LIGOの状態

• LIGOではI/Q demodulatorの中身の構成がKAGRAと異なる．メインのdemodulator boardの後にBreakout boardがあり，そこでTNC出力でdifferential信号を出せるようにしている．これをCommon Mode Servoに繋ぐため，発振はおそらく起こらない．

対策

• I/Q demodulatorの信号をdifferentialにしてBNC(or 2pin LEMO)でサーボに入れるようにする?

klog

• klog 29446: Gr PDH Yでの28MHzピークの発見

• klog 29456: IN1に繋がるケーブルの交換でピークが消えた(ように見えた)

• klog 29503: ループアンテナでサーボ周辺を測定．Gr PDH Xで28MHz, Gr PDH Yで19MHzの発振

• klog 29568: ループアンテナでサーボの出力周辺を測定．Gr PDH X/Yのどちらも50MHzの信号がある

PLL X/Y

現状

• どちらもALS1 rackにインストールされている．
• 直前の回路はPhase Frequency Discriminatorであり，Front panelのOutをサーボに入力している．富山大で作った回路なので回路図とPCBしかなく，シャーシの中身の構成は不明．
• 出力の端子がSMAなので，おそらくsingle endだと思われる．そうするとPLL X/Yのサーボは発振する．→ PLL Xは28MHzで発振，PLL Yは見当たらない?
• Phase Frequency DiscriminatorにはRear panelからDsub9ピンが出ている．この出力はAA chassisに繋がってデジタルに流れているので，おそらくdifferentialの信号を出していると思われる．
• PFD → PLL Xは1mのBNC，PFD → PLL Yは2m以上のBNC．

LIGOの状態

• LIGOではFrequency DiscriminatorはI/Q demodulatorほぼ同じ構成をしている．メインのfrequency discriminator boardの後にBreakout boardがあり，そこでTNC出力でdifferential信号を出せるようにしている．これをCommon Mode Servoに繋ぐため，発振はおそらく起こらない．

対策

• Phase Frequency Discriminatorの信号をdifferentialにしてBNC(or 2pin LEMO)でサーボに入れるようにする?

klog

• klog 29503: ループアンテナでサーボ周辺を測定．28MHz16MHzのピークを確認．

• klog 29568: サーボの電源を1つずつ入れてループアンテナでサーボ周辺を測定．PLLXで28MHzのピークを確認．

Summing node

現状

• ALS1 rackにインストールされている．
• 直前の回路はLSC0 rackのGr PDH X/Yであり，各サーボのSLOW OUTがsingle endでSumming nodeの入力にBNCで入っている．
• 28MHzの発振は確認できず，50MHzの大きなピークを発見．

LIGOの状態

• LIGOではALS CARMは電気ではなく光で和をとっているの状況が大きく異なる．
• LIGOにも「Summing Node」という名前の回路があり，CARMのCommon Mode Servoの直前に入っているが，中身は一般のCommon Mode Servoとは異なりBoosterなどを外した構成になっている．
• LIGOのSumming Nodeは2chある．入力はI/Q demodulatorから2つ，Frequency Discriminatorから1つ，デジタルのDACから1つの計4つで，全てdifferential endになっている．

対策

• TBD

klog

• klog 29503: ループアンテナでサーボ周辺を測定．28MHz16MHzのピークを確認．

• klog 29568: サーボの電源を1つずつ入れてループアンテナでサーボ周辺を測定．28MHzのピークはなく，50MHzに大きなピークがある．

CARM

現状

• ALS1 rackにインストールされている．
• 直前の回路はI/Q demodulator(IN1)とSumming node(IN2)であり，どちらもsingle endなので発振する．
• 28MHzに発振を確認

LIGOの状態

• LIGOではCARMサーボの直前はSumming Nodeの各chから来ている．
• Summing nodeのSUM出力は通常のCommon Mode Servoと同じくsingle endになっている．なので，CARMサーボの入力はどちらもsingle endである．

対策

• TBD

klog

• klog 29503: ループアンテナでサーボ周辺を測定．28MHz16MHzのピークを確認．

• klog 29568: サーボの電源を1つずつ入れてループアンテナでサーボ周辺を測定．28MHzのピークを確認．

FIB X/Y

現状

• ALS0 rackにインストールされている．
• 直前の回路はPSL room内のThorlabsのPDで，single endの信号がBNC出力になっている．

• 回路は発振していない．考えられる理由としては，ThorlabsのPDはAC電源で動くためGNDレベルはACラインからきており，入力信号のGNDがサーボのGND(±18Vの中点)とずれていることがあげられる．今後調査するべき．した

• IN1/IN2のGNDと回路のGNDが絶縁されている(>1MΩ)ので発振しない．

LIGOの状態

• LIGOにはない？

対策

• 発振していないなら特に必要ない?

klog

• klog 29503: ループアンテナでサーボ周辺を測定．目立ったピークは出なかった．

• klog 29568: IN1/IN2とOUT2のGND間の抵抗を測定．1MΩ以上の抵抗値なので絶縁されていることを確認．

IMC

現状

• IOO0 rackにインストールされている．
• 直前の回路はIMC REFLの復調信号(IN1)とCARMのFast OUT(IN2)．復調はMini CircuitsのpassiveなRF mixer (とLowpass FIlter)でやっている．どちらもsingle end．
• 回路は発振していないように見える．どちらもsingle endの信号で状況としては発振してもおかしくない．今後調査するべき．

LIGOの状態

• LiGOのIMCサーボの入力はI/Q demodulator(IN1)とCARMのFast OUT(IN2)．IN1の方はdifferentialになっているがIN2の方はsingle endのはず．

対策

• 発振していないなら特に必要ない?

klog

• klog 29503: ループアンテナでサーボ周辺を測定．目立ったピークは出なかった．

LIGOでの接続

Common Mode Servoの基本的な構造はKAGRAと変わらない(D0901781)．ただし，KAGRAと違いほとんどの入力信号はdifferentialになっている(一部例外あり)．

Gr PDH X/Y, PLL X/Y

LIGOのエンドステーションの配線はD1100670が詳しい．

"ALS Cavity Locking"がKAGRAでいうところのGr PDHに対応し，"ALS Laser Locking"がPLLに対応する．Gr PDHの直前の回路はI/Q demodulator，PLLの直前の回路はPhase/Frequency discriminatorになっている．

I/Q demod, PFD

LIGOのI/Q demodulatorはKAGRAのものよりも基板が追加で入っている(D1000181)．I/Q demodulator本体(D0902745)はLIGOとKAGRAで共通だが，LIGOではI/Q demodulatorのdifferential output (I/Q)をDemodulator Breakout (D1000184)に接続し，フロントパネルからTNCでdifferentialな信号が出せるようになっている．

LIGOのPhase/Frequency discriminator(D1002476)はI/Q demodulatorとほとんど構造が同じで，メインの基板がI/Q demodulatorからPhase Frequency Discriminator(D1002471)に置き換わっているだけである．従って，フロントパネルからTNCでdifferentialな信号が出せるようになっている．

Summing node, CARM, IMC

センターエリアの配線はD1200666, D1900511に詳しい．

回路室での再現試験

発振の再現

Common Mode Servo (Gr PDH ver.3、坑内から持ち帰った筐体)の上方5 cmぐらいの位置にDual I&Q Demodulatorを設置、2台とも同一のDC電源から電源供給(ケーブル長~1 m)、demodulatorのI-MonとservoのIN1を1 mのBNCケーブル(+ BNC-TNCアダプタ)でつないで電源を入れ、Moku:Labにつないだ霜出さん作製のループアンテナをservoのinput付近やBNCケーブルに当てたたところ、~30 MHzぐらいの発振が見えた。

• 電源ケーブルを動かすと発振周波数や振幅が変わる。

• I&Q Demodulatorの電源を切っても発振は止まらない。(電源を切っても電源GNDはつながったまま。)

  • ServoのIN1につないだBNCケーブルの反対側端子のshellがdemodulatorのBNC端子のshellに触れるだけで発振は起きる。

    • Servo自身のchassis(10 Ωと100 nFを介して基板GNDに接続)やミミに接触しても発振。

• 50 cmのケーブルにすると発振は見えない。

• ケーブル長を1.5 mにする(1 mと50 cmを中継アダプタで接続する)と周波数は下がる。

• I&Q Demodulatorの電源ケーブルを長くする(数mの電源ケーブルを継ぎ足す)と発振は見えなくなる。

• I&Q Demodulatorの代わりに別のCommon Mode Servo(MZI用、Gain Stageのoffset調整試験のため改造済)を設置し、Out2/Slow/FastのTNC端子とIN1/2を接続しても発振状況は変わらず。

同軸ケーブルでのDifferential信号入力

上記のセットアップでI&Q Demodulatorリアパネルの"I & Q Outputs Ch 1&2"のDsub 9ピンコネクタにDsubブレイクアウトコネクタを付けて1-6ピンをBNCブレイクアウトコネクタの芯線とシールドにそれぞれ接続、1 m BNCケーブルでCommon Mode ServoのIN1に接続してみたが、同様に発振した。

• ブレイクアウトコネクタの代わりにADC用BNC-Dsub Converterを用いて、

  • demodulator [I&Q Outputs Ch1&2] <= Dsub 9-pin cable (50 cm/1 m) => [to ADC Ch1-4] Dsub-BNC Converter [Single Inputs Ch1] <= BNC cable (1 m) => [IN1] servo

• のようにつないだが、同様に発振した。

  • Dsub 9-pin cableを10 mの物に取り換えると発振は見えなくなった。

シールド付多芯ケーブルでの接続

2芯ケーブルは無かったが3芯のシールド付ケーブルがあったので、上記のDsubブレイクアウトコネクタを使ってI&Q Demodulatorの"I&Q Outputs Ch1&2"の1-6ピンを2芯に、残りの1芯とシールドをGNDに接続し、反対側はBNCブレイクアウトコネクタを用いてCommon Mode ServoのIN1の芯線とshellにdemodulatorの1-6ピン、残りの線とシールドはOUT2 TNC端子のshell (servoのGND)に接続したところ、発振は見えなかった。

• 同様にBNCブレイクアウトコネクタで2台のCommon Mode ServoのSlow出力のTNC端子の芯線とshellを3芯のうち2本に、残りをSlow出力のlemo端子のshell (基板GNDと10 Ω/100 nFで接続)につなぎ、反対側をもう1台のservoのIN2入力のTNC端子とlemo端子に同様に接続したところ、発振は見えなかった。

フェライトコア(クランプフィルター)の取付

ケーブルに高周波のノイズが乗っているなら、と以下3種類のフェライトコアのクランプフィルターを購入してBNCケーブルに付けてみた。

• ZCAT2032-0930 (TDK)

• ZCAT1518-0730 (TDK)

• DC-2810N (デンカエレクトロン)

BNCケーブル(1 m)にフェライトコアを装着することで30 MHz付近の発振は見られなくなった。

参考

• 霜出さんによる考察

Meeting

TBU

Reference

LIGO Circuits

• Common Mode Servo

  • Assembly: D0901781

  • Main board: D040180

• Common Mode Summing Node

  • Assembly: D1200148

  • Main board: D1200151

• I/Q Demodulator

  • Assembly: D1000181

  • Main board: D0902745

  • Breakout board: D1000184

• Phase Frequency Discriminator

  • Assembly: D1002476

  • Main board: D1002471

LIGO Wiring

• Center Station

  • (OBSOLETE) Vertex ISC Electronics Cable Layout 1ページ目が比較的見やすい

  • O4 ISC/SQZ Wiring Diagram for Corner Station 最新版だがわかりにくい

• End Station

  • End Station ISC Electronics Wiring