= 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 === * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29446|2024/05/09の測定]]により，Gr PDH Y のサーボ([[https://gwdoc.icrr.u-tokyo.ac.jp/cgi-bin/private/DocDB/ShowDocument?*docid=5813|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． * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29456|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'''． * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29503|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[[http://gwclio.icrr.u-tokyo.ac.jp/lcgtsubgroup/electronics/Oscillation%20when%20connecting%20cables%20to%20CM%20Servo%20Input%28in1%2Cin2%29.pdf|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[[http://gwclio.icrr.u-tokyo.ac.jp/lcgtsubgroup/electronics/Oscillation%20when%20connecting%20cables%20to%20CM%20Servo%20Input%28in1%2Cin2%29.pdf|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 [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29677|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 [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29700|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 == [[KAGRA/Subgroups/MIF/AEL/CMSB|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 ==== * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29446|klog 29446]]: Gr PDH Yでの28MHzピークの発見 * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29456|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) * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29503|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 * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29568|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 ==== * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29503|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． * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29568|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 ==== * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29503|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． * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29568|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 ==== * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29503|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． * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29568|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 ==== * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29503|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． * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29568|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 ==== * [[https://klog.icrr.u-tokyo.ac.jp/osl/?r=29503|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([[https://dcc.ligo.org/LIGO-D0901781/public|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[[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1100670/public|D1100670]]が詳しい． {{https://dcc.ligo.org/public/0059/D1100670/011/D1100670-v11.pdf|End Station ISC Electronics Wiring|width=1000}} "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([[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1000181/public|D1000181]])．I/Q demodulator本体([[https://dcc.ligo.org/LIGO-D0902745/public|D0902745]])はLIGOとKAGRAで共通だが，LIGOではI/Q demodulatorのdifferential output (I/Q)をDemodulator Breakout ([[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1000184/public|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([[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1002476/public|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([[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1002471/public|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[[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1200666/public|D1200666]], [[https://dcc.ligo.org/D1900511/public|D1900511]]に詳しい． == 回路室での再現試験 == === 発振の再現 === [[https://gwdoc.icrr.u-tokyo.ac.jp/cgi-bin/private/DocDB/ShowDocument?docid=5813|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[[https://gwdoc.icrr.u-tokyo.ac.jp/cgi-bin/private/DocDB/ShowDocument?docid=9171|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[[https://gwdoc.icrr.u-tokyo.ac.jp/cgi-bin/private/DocDB/ShowDocument?docid=3859|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[[https://www.phoenixcontact.com/ja-jp/products/interface-module-flkm-d-9-sub-b-2281186|Dsubブレイクアウトコネクタ]]を付けて1-6ピンを[[https://www.uxcell.com/cat5-bnc-female-connector-screw-way-free-solder-for-video-transmission-3pcs-p-1439167.html|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[[https://gwdoc.icrr.u-tokyo.ac.jp/cgi-bin/private/DocDB/ShowDocument?docid=14149|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。 * [[https://product.tdk.com/ja/search/emc/emc/clamp/info?part_no=ZCAT2032-0930|ZCAT2032-0930 (TDK)]] * [[https://product.tdk.com/ja/search/emc/emc/clamp/info?part_no=ZCAT1518-0730|ZCAT1518-0730 (TDK)]] * [[https://denka-e.co.jp/collections/%E3%83%95%E3%82%A3%E3%83%AB%E3%82%BF%E3%83%AA%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%83%95%E3%82%A7%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%88%E3%82%B3%E3%82%A2%E7%AD%89/products/128|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 ==== * [[http://gwclio.icrr.u-tokyo.ac.jp/lcgtsubgroup/electronics/2024/05/cm-servo-input.html|霜出さんによる考察]] == Meeting == TBU == Reference == === LIGO Circuits === * Common Mode Servo * Assembly: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D0901781/public|D0901781]] * Main board: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D040180/public|D040180]] * Common Mode Summing Node * Assembly: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1200148/public|D1200148]] * Main board: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1200151/public|D1200151]] * I/Q Demodulator * Assembly: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1000181/public|D1000181]] * Main board: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D0902745/public|D0902745]] * Breakout board: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1000184/public|D1000184]] * Phase Frequency Discriminator * Assembly: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1002476/public|D1002476]] * Main board: [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1002471/public|D1002471]] === LIGO Wiring === * Center Station * (OBSOLETE) [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1200666/public|Vertex ISC Electronics Cable Layout]] 1ページ目が比較的見やすい * [[https://dcc.ligo.org/D1900511/public|O4 ISC/SQZ Wiring Diagram for Corner Station]] 最新版だがわかりにくい * End Station * [[https://dcc.ligo.org/LIGO-D1100670/public|End Station ISC Electronics Wiring]]