1장 - HW Collage

임베디드 레시피 정리 1편
신호·그라운드·RLC로 회로 읽는 눈 만들기

「임베디드 레시피」 하드웨어 파트를 기반으로 개인적으로 공부한 내용을 정리.

1편 범위:

• 하드웨어를 블록 단위로 보는 관점
• 시간 영역 vs 주파수 영역
• 아날로그/디지털, DC/AC, 그라운드
• R, L, C의 기본 동작 감각
• RC 필터(저역통과·고역통과)의 역할

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1. 보드를 기능 블록으로 나누기 (Hardware Collage)

회로도를 처음부터 부품 단위로 보기보다는, 기능 블록으로 먼저 분해하는 것이 이해하기 쉽다.

일반적인 임베디드 보드의 블록:

• 전원부 : 레귤레이터, LDO, DC-DC, 필터, 보호 회로
• MCU / MPU : 코어, 클럭, 내장 플래시, 내장 RAM
• 외부 메모리 : NOR/NAND Flash, SRAM, SDRAM 등
• I/O·드라이버·센서 : 버튼, LED, 모터/릴레이 드라이버, 센서 IC
• 통신부 : UART, SPI, I²C, CAN, Ethernet PHY/트랜시버

이후 나오는 신호, 그라운드, R/L/C, 필터 개념은 위 블록들이 서로 신호를 주고받을 때 품질과 안정성을 좌우하는 요소라는 관점으로 이해.

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2. 신호 관점 2가지 – 시간 영역 vs 주파수 영역

2-1. 시간 영역(Time Domain)

오실로스코프로 보는 파형 = 시간에 따른 전압 변화 V(t).

시간 영역:  V(t)
→ t가 증가할 때 전압이 어떻게 변하는지 직접 관찰

예:

• 버튼 신호의 상승/하강 속도, 바운싱 여부
• 센서 출력이 시간에 따라 얼마나 흔들리는지

2-2. 주파수 영역(Frequency Domain)

같은 신호를 “어떤 주파수 성분이 얼마나 섞여 있는가”로 표현한 것이 주파수 영역 |V(f)|.

주파수 영역:  |V(f)|
→ 각 주파수(Hz) 성분의 크기를 나타낸 스펙트럼

특징:

• 천천히 변하는 신호 → 저주파 성분 위주
• 급격한 변화, 노이즈 많은 신호 → 고주파 성분이 많음
• DC 신호 → 0 Hz 성분 하나만 존재
• 사각파 → 기본 주파수 + 3, 5, 7… 배 고조파 성분 포함

2-3. 오실로스코프 vs 스펙트럼 분석기

• 오실로스코프 : 시간 영역 파형 확인
• 스펙트럼 분석기 : 주파수별 에너지 분포 확인

디버깅 시 판단 포인트:

• 신호가 단순히 느려서 문제인지 (대역폭 부족, Slew rate 문제)
• 고주파 노이즈가 섞여서 문제인지 (EMI, 그라운드/레이아웃 문제)

→ 시간 영역 파형을 볼 때 항상 “이걸 주파수로 보면 어떻게 생겼을까?”를 같이 상상하는 연습이 필요.

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3. 아날로그·디지털·DC·AC·그라운드

3-1. 디지털 신호도 결국 아날로그 파형

이론적 정의:

• 아날로그 신호 : 전압/전류가 연속적으로 변화
• 디지털 신호 : 0과 1 두 상태로 해석

실제 회로:

• 디지털 신호도 전압이 서서히 또는 빠르게 변하는 아날로그 파형
• 단지 “어느 전압 이상 = 1, 어느 전압 이하 = 0”으로 규칙을 정하고 해석할 뿐

예시 (3.3V 계열의 한 경우):

• 0.8V 이하 → 0 인식
• 2.0V 이상 → 1 인식
• 중간 영역 → 불안정, 노이즈 영향에 취약

핵심: 디지털도 노이즈 마진을 가진 아날로그 전압이며, 애매한 구간을 빨리 벗어나게 설계해야 함.

3-2. DC와 AC 분해

• DC(직류) : 평균값이 일정한 성분 (예: 3.3V 전원)
• AC(교류) : 시간에 따라 위아래로 변하는 성분 (리플, 노이즈, 신호 변화 등)

예:

• 센서 출력이 2.5V를 중심으로 ±0.1V 출렁일 때 → DC: 2.5V, AC: ±0.1V

→ 실제 신호는 DC + AC 성분의 합으로 이해하는 것이 편함.

3-3. 그라운드는 “0V”가 아니라 “기준”

그라운드(GND)는 수학적인 0V가 아니라, 전압 측정의 기준점(reference).

문제 사례:

• 보드 간 GND 레벨이 다르거나, GND 연결이 불안정 → 통신 오동작
• 파워 GND와 아날로그 GND를 적절히 분리/조인하지 않음 → 센서 값 흔들림

정리:

• “GND는 당연히 0V”가 아니라 “서로 다른 GND들이 제대로 하나의 기준으로 묶여 있는가”를 항상 의식해야 함

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4. R, L, C 기본 동작 감각

수식·복소수 이전에, 각 소자가 “어떤 상황을 싫어하는지” 중심으로 정리.

4-1. 저항(Resistor, R)

역할:

• 전류를 제한
• 전압·전류 관계: V = I × R

주요 용도:

• LED 전류 제한
• 풀업/풀다운
• 분압(전압비 나누기)

4-2. 커패시터(Capacitor, C)

행동 패턴:

• 전압이 갑자기 변하는 상황을 싫어함
• 전압이 급격히 변하려 하면 순간적으로 전류를 흘려 변화를 완만하게 만듦

주파수 관점:

• 주파수가 높을수록 임피던스 ↓ (고주파에 민감)
• 0 Hz(DC)에 대해서는 거의 열린 회로처럼 행동

주요 용도:

• 전원 디커플링/바이패스 : 전원 라인의 고주파 노이즈를 GND로 흘려보냄
• 커플링 캐패시터 : DC 오프셋 차단, AC 신호만 다음 단계로 전달

4-3. 인덕터(Inductor, L)

행동 패턴:

• 전류가 갑자기 변하는 상황을 싫어함
• 전류가 급변하려 하면, 그 변화를 방해하는 방향으로 전압이 발생

주파수 관점:

• 주파수가 높을수록 임피던스 ↑
• 직렬로 사용할 때 고주파 성분을 억제, DC는 거의 도선처럼 통과

주요 용도:

• 스위칭 전원(DC-DC) 필수 요소
• LC 필터, 노이즈 필터

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5. 가장 자주 보는 필터 – RC 저역/고역 필터

임베디드 회로에서 R, C 조합으로 만든 1차 필터는 매우 자주 등장한다.

5-1. RC 저역통과 필터(Low-Pass Filter, LPF)

구조 예:

(입력) ── R ──+── (출력)
              |
              C
              |
             GND

동작 요약:

• 빠르게 변하는 성분(고주파)은 C를 통해 GND로 빠져나감
• 천천히 변하는 성분(저주파)은 상대적으로 출력까지 전달

컷오프 주파수:

fc ≈ 1 / (2πRC)

감각적으로:

• R, C가 클수록 반응이 느려짐 → 더 낮은 주파수까지만 통과

주요 사용처:

• 전원 라인 리플/노이즈 완화
• ADC 입력 안정화 (센서 신호 평활)

5-2. RC 고역통과 필터(High-Pass Filter, HPF)

구조 예:

      C
(입력)─||── R ── (출력)
           |
          GND

동작 요약:

• DC 및 매우 느린 변화 → C를 통과하기 어려워 거의 차단
• 일정 이상 빠른 변화(고주파) → R을 통과하여 출력으로 전달

대표적인 사용:

• 커플링 캐패시터 + 직렬 저항 형태로 DC 오프셋 제거
• 오디오/센서 신호에서 원하는 대역만 추리기

5-3. 실무에서 RC 필터를 보는 관점

회로도에서 다음과 같은 패턴을 보면:

• 전원 라인과 GND 사이의 C + 근처 R → 전원 노이즈/리플 처리 의도
• 센서 출력과 ADC 입력 사이의 R-C 조합 → 샘플링 안정화, 노이즈 저감
• 통신 라인에 직렬 R + GND로 가는 C → EMI/ESD 대책 및 고주파 성분 완화

→ RC 필터는 “주파수 영역에서 어떤 성분을 줄이고 싶은지”를 표현하는 도구라고 이해.

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6. 1편 정리

핵심 요약:

• 보드는 전원·MCU·메모리·I/O·통신 등 기능 블록으로 먼저 파악
• 신호는 시간 영역 V(t)와 주파수 영역 |V(f)| 두 관점에서 이해
• 디지털 신호도 아날로그 전압이며, 노이즈 마진·그라운드 구조가 중요
• R: 전류 제한, C: 전압 변화 억제, L: 전류 변화 억제라는 행동 패턴
• 간단한 RC 필터만으로도 전원 안정화, 센서 신호 평활, 노이즈 저감 가능

이 정리는 “펌웨어 관점에서 회로를 읽을 때 꼭 필요한 만큼만” 이해하는 것을 목표로 함.
다음 편에서는 트랜지스터, 풀업/풀다운, 오픈 컬렉터, 논리 회로, IC로 이어지는 내용을 정리할 예정.