Transcript LIGO circuit

Photo detector circuit of KAGRA interferometer
(based on LIGO circuit)
2012/6/11
平松成範
1
・LIGO interferometer の photo detector (PD) 回路に基づいて KAGRA interferometer
の５種類の PD （REFL1, REFL2, POP1, POP2, ASPO）に対する回路を設計する
回路は LIGO_REFL1, LIGO_POP1 の２種類（p.4, p.5）
LIGO_REFL1： REFL1, REFL2, POP2 に適用
（REFL1 の16.881MHz信号が飽和しないように rf-port1 の伝達
インピーダンスを低めに設定）
LIGO_POP1：
POP1, ASPO に適用
（POP1, ASPO の16.881MHz信号が小さいので伝達
インピーダンスを高めに設定）
・rf-port のアンプ U1, U2 の入力 rf1, rf2 における伝達インピーダンス及びノイズの評価
フォトダイオード： 容量 Cpd=150pF（逆バイアス時）
直列等価抵抗 Rs=10 （T=350K PDの発熱を考慮）
光-電流変換効率 0.86 A/W
rf-port の出力アンプ： ADA4899-1 (Analog Devices)
入力電圧雑音 1 nV/rtHz
入力電流雑音 2.6 pA/rtHz
target freq. amp. gain
rf-port1
16.881MHz
x1
rf-port2
45.016MHz
x3 (BWが狭まるため限界）
・雑音の評価
PD の等価直列抵抗の熱雑音（温度を 350Kと仮定）による雑音及びrf-port のアンプの雑音
2
図の説明
回路図
回路性能のまとめ
ノッチフィルタがないときの PD anode における rf 信号レベル
anode のレベルが 20mV 以上の４つの周波数に対してノッチフィルタを入れることにする
p.9：
LIGO_REFL1 の伝達インピーダンス
p.10：
LIGO_POP1 の伝達インピーダンス
p.11, p.12： PD REFL1 と回路 LIGO_REFL1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、
アンプ入力 rf1、rf2 における信号レベル
p.13, p.14： PD POP1 と回路 LIGO_POP1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、
アンプ入力 rf1、rf2 における信号レベル
p.15, p.16： PD ASPO と回路 LIGO_POP1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、
アンプ入力 rf1、rf2 における信号レベル
p.17, p.18： PD REFL2 と回路 LIGO_REFL1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、
アンプ入力 rf1、rf2 における信号レベル
p.19, p.20： PD POP2 と回路 LIGO_REFL1 の組み合わせでのPDのrf power、PD anode レベル、
アンプ入力 rf1、rf2 における信号レベル
p.21：
回路 LIGO_REFL1 における PD 直列等価抵抗 Rpd (10) による熱雑音
p.22：
回路 LIGO_POP1 における PD 直列等価抵抗 Rpd (10) による熱雑音
（p.4, p.5におけるR2の熱雑音はC8でシャントされるため rf1、rf2 における雑音には
0.001nV/rtHz以下の寄与となる→無視できる）
p.23-p.26： アンプU1, U2 の入力電流雑音による雑音電圧
p.23： 回路 LIGO_REFL1 におけるU1の入力電流雑音による雑音電圧
p.24： 回路 LIGO_REFL1 におけるU2の入力電流雑音による雑音電圧
p.25： 回路 LIGO_POP1 におけるU1の入力電流雑音による雑音電圧
p.26： 回路 LIGO_POP1 におけるU2の入力電流雑音による雑音電圧
p.4, p.5：
p.6：
p.7, p.8：
3
LIGO circuit for photo detectors of KAGRA : LIGO_REFL1
PD : REFL1, REFL2, POP2
4
LIGO circuit for photo detectors of KAGRA : LIGO_POP1
PD : POP1, ASPO
5
p4, p.5 の回路の性能まとめ
PD
(target freq.)
circuit
REFL1
(16.881MHz)
LIGO_
REFL1
REFL2
(45.016MHz)
LIGO_
REFL1
POP1
(16.881MHz)
LIGO_
POP1
POP2
(45.016MHz)
LIGO_
REFL1
ASPO
(16.881MHz)
LIGO_
POP1
Port
(observation
point)
Port
freq.
(MHz)
Light
power
(mW)
Transimp.
()
Signal
Level*2
(mV)
Shot
noise
(nV/rtHz)
Thermal
noise
(nV/rtHz)
Amp.
noise*1
(nV/rtHz)
rf1
16.881
43.5
71.2
2667
8.39
0.5
1.3
rf2
45.016
2.73
85.9
201.4
10.1
1.6
1.4
rf1
16.881
10.9
71.2
667
4.19
0.5
1.3
DC-port
Output
(V)
2.16
0.540
rf2
45.016
0.681
85.9
50.4
5.06
1.6
1.4
rf1
16.881
6.44
104.8
580
12.3
0.73
2.0
rf2
45.016
0.0949
85.9
7.01
10.1
1.6
1.7
rf1
16.881
6.44
71.2
395
8.37
0.5
1.3
2.15
2.15
rf2
45.016
0.0949
85.9
7.01
10.1
1.6
1.4
rf1
16.881
2.46
104.8
222
3.57
0.73
2.0
rf2
45.016
0.0951
85.9
7.03
2.93
1.6
1.7
Note: *1 OP amp. ADA4899-1
*2 signal level rf-port1=rf1x1
0.181
rf-port2=rf2x3
6
ノッチフィルタがない場合の PD anode 信号電圧
PD: REFL1
transimpedance
Zt (k)
anode
rf1
rf2
7
c i rc u i t_ c h ec k 1 _ RE F L 1_ V r f
1 00
3 3. 76 2M Hz
V an od e( m V)
80
P D: R EF L1
w /o n ot ch -f il te r
Van ode(mV)
2 8. 13 5M Hz
60
この４つの周波数に対する
ノッチフィルターを PD anode
に入れる
6 1. 89 7M Hz
40
9 0. 03 2M Hz
20
0
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f( MHz)
8
Transimpedance Zt for Ipd
0.0712k
(16.881MHz)
Zt (k)
0.0859k
(45.016MHz)
anode
rf1
rf2
9
Transimpedance for Ipd
0.105k
(16.016MHz)
Zt (k)
0.0859k
(45.016MHz)
anode
rf1
rf2
10
PD:
REFL1
circuit: LIGO_REFL1
REFL1 受光パワー
anode 信号レベル
(光-電流変換効率 0.86 A/W)
L I GO _ R EF L 1 _V r f
L I GO _ R EF L 1 _V r f
50
20
P (m W)
V an od e( m V)
40
V (a no de )< 1 0. 3 mV
Van ode(mV)
15
P(m W)
30
- -- R EF L1 PD : ta rg et = 16.8 8096 1M H z - -D C = 5.026 474 e-0 2 W
Sh ot no is e = 1.36 9980 e-1 0 W /r tH z
20
10
5
10
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f (MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f (MHz)
11
PD:
REFL1
circuit: LIGO_REFL1
port
freq.
Zt
Vrf shot noise
(MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz)
rf1 16.881 71.2 2667 8.39
rf2 45.016 85.9 201.4 10.1
rf1 port 信号レベル
rf2 port 信号レベル
L I GO _ R EF L 1 _V r f
L I GO _ R EF L 1 _V r f
2 50
3 00 0
2. 67 V
( 16 .8 81 MH z)
V rf 1( mV )
V rf 2( mV )
20 1m V
( 45 .0 16 MH z)
2 50 0
2 00
Vrf 2(mV)
Vrf 1(mV)
2 00 0
1 50 0
1 50
1 00
1 00 0
50
5 00
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f( MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f (MHz)
12
PD:
POP1
circuit: LIGO_POP1
REFL1 受光パワー
anode 信号レベル
(光-電流変換効率 0.86 A/W)
L I GO _ P OP 1 _ Vr f
L I GO _ P OP 1 _ Vr f
8
0 .5
P (m W)
V an od e( m V)
7
V (a no de )< 0 .3 6 mV
0 .4
6
Va node(mV)
P(m W)
5
- -- PO P 1 PD : target = 16.8 809 61M H z - -D C = 5.000 748e -0 2 W
4
Sh ot no is e = 1.36 6470 e-1 0 W /r tH z
3
0 .3
0 .2
2
0 .1
1
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f (MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f(MH z)
13
port
PD:
POP1
circuit: LIGO_POP1
rf1
rf2
freq.
Zt
Vrf shot noise
(MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz)
16.881 104.8 580 12.3
45.016 85.9 7.01 10.1
rf1 port 信号レベル
rf2 port 信号レベル
L I GO _ P OP 1 _ Vr f
L I GO _ P OP 1 _ Vr f
7 00
10
5 80 m V
( 16 .8 81 MH z)
V rf 1( mV )
V rf 2( mV )
6 00
7 .0 1 mV
( 45 .0 16 MH z)
8
Vrf 2(mV)
Vrf 1(mV)
5 00
4 00
3 00
6
4
2 00
2
1 00
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f (MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f (MHz)
14
PD:
ASPO
circuit: LIGO_POP1
REFL1 受光パワー
anode 信号レベル
(光-電流変換効率 0.86 A/W)
L I GO _ A SP O _ Vr f
L I GO _ A SP O _ Vr f
5
2
V an od e( m V)
P (m W)
V (a no de )< 1 .1 8 mV
4
1 .5
Va node(mV)
--- AS P O P D: tar get = 16 .8809 61M H z ---
3
P(m W)
D C = 4.208 502e -0 3 W
Sh ot no is e = 3.96 4115 e-1 1 W /r tH z
2
1
0 .5
1
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f (MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f(MH z)
15
port
freq. Zt
Vrf shot noise
(MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz)
rf1 16.881 104.8 222 3.57
rf2 45.016 85.9 7.03 2.93
PD:
ASPO
circuit: LIGO_POP1
rf1 port 信号レベル
rf2 port 信号レベル
L I GO _ A SP O _ Vr f
L I GO _ A SP O _ Vr f
10
2 50
V rf 2( mV )
V rf 1( mV )
2 00
8
1 50
6
Vrf 2(mV)
Vr f1(mV)
2 22 m V
( 16 .8 81 MH z)
1 00
7 .0 3 mV
( 45 .0 16 MH z)
4
2
50
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f (MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 50
3 00
f (MHz)
16
PD:
REFL2
circuit: LIGO_REFL1
REFL1 受光パワー
anode 信号レベル
(光-電流変換効率 0.86 A/W)
L I GO _ R EF L 2 _V r f
L I GO _ R EF L 2 _V r f
12
3
P (m W)
V an od e( m V)
10
2 .5
V (a no de )< 2 .5 8 mV
- -- R EF L2 P D : ta rg et = 45.0 1589 6M H z - --
8
2
Va node(mV)
P(m W)
D C = 1.256 619e -0 2 W
Sh ot no is e = 6.84 9900 e-1 1 W /r tH z
6
1 .5
4
1
2
0 .5
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f( MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f (MHz)
17
port
freq.
Zt
Vrf shot noise
(MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz)
rf1 16.881 71.2 667
4.19
rf2 45.016 85.9 50.4 5.06
PD:
REFL2
circuit: LIGO_REFL1
rf1 port 信号レベル
rf2 port 信号レベル
L I GO _ R EF L 2 _V r f
L I GO _ R EF L 2 _V r f
1 00 0
60
V rf 2( mV )
5 0. 4 mV
( 45 .0 16 MH z)
V rf 1( mV )
6 67 m V
( 16 .8 81 MH z)
50
8 00
6 00
V rf2(mV)
Vr f1(mV)
40
4 00
30
20
2 00
10
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f(MH z)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
f(M Hz)
2 50
3 00
3 50
18
PD:
POP2
circuit: LIGO_REFL1
REFL1 受光パワー
anode 信号レベル
(光-電流変換効率 0.86 A/W)
L I GO _ P OP 2 _ Vr f
L I GO _ P OP 2 _ Vr f
0 .5
8
P (m W)
V an od e( m V)
7
0 .4
V (a no de )< 0 .2 45 m V
6
P( mW)
V anode(mV )
- -- PO P 2 PD : tar get = 45. 0158 96M H z -- 5
D C = 5.000 748 e-0 2 W
Sh ot no is e = 1.36 6470 e-1 0 W /r tH z
4
3
0 .3
0 .2
2
0 .1
1
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f (MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 50
3 00
f(M Hz)
19
PD:
POP2
circuit: LIGO_REFL1
port
rf1
rf2
freq.
Zt
Vrf
shot noise
(MHz) (ohm) (mV) (nV/rtHz)
16.881 71.2 395
8.37
45.016 85.9 7.01
10.1
rf1 port 信号レベル
rf2 port 信号レベル
L I GO _ P OP 2 _ Vr f
L I GO _ P OP 2 _ Vr f
5 00
8
3 95 m V
( 16 .8 81 MH z)
V rf 1( mV )
V rf 2( mV )
7 .0 1 mV
( 45 .0 16 MH z)
7
4 00
5
3 00
Vr f2(mV)
Vr f1(mV)
6
2 00
4
3
2
1 00
1
0
0
0
50
1 00
1 50
2 00
f (MHz)
2 50
3 00
3 50
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
f(MH z)
20
Rpdの抵抗熱雑音（REFL1）
Noise level
(V/rtHz)
0.50nV/rtHz
(16.881MHz)
1.6nV/rtHz
(45.016MHz)
21
Rpdの抵抗熱雑音（POP1）
Noise level
(V/rtHz)
0.73nV/rtHz
(16.881MHz)
1.6nV/rtHz
(45.016MHz)
22
Amp1 の電流性雑音
Noise level
(V/rtHz)
0.82nV/rtHz
(16.881MHz)
0.28nV/rtHz
(45.016MHz)
23
Amp2 の電流性雑音
Noise level
(V/rtHz)
0.031nV/rtHz
(16.881MHz)
1.0nV/rtHz
(45.016MHz)
24
Amp1 の電流性雑音
Noise level
(V/rtHz)
1.74nV/rtHz
(16.881MHz)
0.28nV/rtHz
(45.016MHz)
25
Amp2 の電流性雑音
Noise level
(V/rtHz)
0.045nV/rtHz
(16.881MHz)
1.32nV/rtHz
(45.016MHz)
26