Common Mode Servo Oscillation Issue
Common Mode Servoが発振している問題のまとめページ．
Contents
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
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．
各ボード詳細
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
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．
- 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．
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．
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．
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．
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．
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．
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．
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．
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(D040180)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．
Meeting
TBU
Reference
TBU