오실로스코프

한 줄 요약 — 파형을 봐야 노이즈·발진·세틀링을 알 수 있습니다. 그리고 프로브(probe)가 회로를 바꿉니다.

핵심 사양

사양	의미	선정
대역폭(bandwidth)	−3 dB 지점	신호 최고 주파수의 5배
샘플링률	초당 샘플	대역폭의 최소 5배
메모리 깊이	저장 샘플 수	긴 시간 + 고해상도
채널 수		최소 2 (입출력 비교)
수직 분해능(resolution)분해능 resolutionADC 가 구분할 수 있는 가장 작은 전압 차이로, 비트 수와 기준전압으로 정해집니다. $1\,\mathrm{LSB} = V_{ref}/2^n$ 자세히 보기 →	8비트(일반), 12비트	작은 신호에 중요
잡음 플로어(noise floor)		소신호 측정 한계

대역폭과 상승시간

t_r \approx \frac{0.35}{BW}

기호

B대역폭 또는 자속밀도bandwidth or flux density

t_r상승 시간rise times

W채널 폭channel widthm

대역폭	최소 측정 가능 $t_r$
20 MHz	17.5 ns
100 MHz	3.5 ns
1 GHz	0.35 ns

측정된 상승시간:

t_{r,measured} = \sqrt{t_{r,signal}^2+t_{r,scope}^2+t_{r,probe}^2}

기호

t_r,measured시간 (r, measured)time (r, measured)s

t_r,probe시간 (r, probe)time (r, probe)s

t_r,scope시간 (r, scope)time (r, scope)s

t_r,signal시간 (r, 신호)time (r, signal)s

오실로스코프(oscilloscope) 대역폭이 신호의 5배는 되어야 상승시간 오차가 2% 이내입니다.

★ 프로브 — 가장 흔한 실수의 원천

프로브	입력 임피던스(impedance)입력 임피던스 input impedance회로가 신호원에서 전류를 얼마나 적게 빼앗는지를 나타내는 값으로, 신호원 임피던스의 100배는 돼야 안전합니다.자세히 보기 →	입력 용량	감쇠
1:1	1 MΩ	100~200 pF ❌	없음
10:1	10 MΩ	10~15 pF ✅	1/10
100:1	100 MΩ	3~5 pF	1/100
액티브 (FET)	1 MΩ~1 GΩ	0.5~2 pF	1~10
차동 액티브		1~3 pF

로딩 계산

f_c = \frac{1}{2\pi R_{circuit}C_{probe}}

기호

C_probe정전용량 (probe)capacitance (probe)F

f_c차단 주파수cutoff frequencyHz

R_circuit저항 (circuit)resistance (circuit)Ω

회로 임피던스	10:1(10 pF)	1:1(100 pF)
1 kΩ	15.9 MHz	1.59 MHz
10 kΩ	1.59 MHz	159 kHz
100 kΩ	159 kHz	15.9 kHz
1 MΩ	15.9 kHz	1.59 kHz

⚠️ 기본은 항상 10:1입니다. 1:1은 저임피던스·저주파에서만.

★ 프로브 보정 (compensation)

10:1 프로브는 9 MΩ + 1 MΩ 분압기(voltage divider)이고, 기생 용량(parasitic capacitance)기생 용량 parasitic capacitance부품·배선·케이블이 원치 않게 갖는 커패시턴스로, 고임피던스 신호원에서 대역폭을 가장 먼저 잡아먹습니다.자세히 보기 → 때문에 주파수에 따라 분압비가 달라집니다.

보상 조건: $R_1C_1 = R_2C_2$ (1-04)

확인 방법

오실로스코프의 CAL 단자(1 kHz 사각파) 에 프로브를 대고 파형을 봅니다.

파형	상태	조치
평평한 사각파	✅ 정상
위가 뾰족(오버슈트(overshoot)오버슈트 overshoot계단 입력에 응답이 목표값을 넘어 솟는 정도로, 감쇠비 하나로 정해집니다. $M_p = e^{-\pi\zeta/\sqrt{1-\zeta^2}}$ 자세히 보기 →)	과보상	조정 나사를 반대로
위가 처짐	부족보상	조정 나사를 조정

⚠️ 보정하지 않으면 진폭이 20~50% 틀립니다. 특히 사각파·펄스에서 심합니다.

프로브를 다른 채널이나 다른 오실로스코프에 꽂으면 다시 보정하세요.

★ 접지 리드가 만드는 링잉

프로브의 악어클립 접지 리드는 인덕턴스(inductance) 100~200 nH입니다.

f_{ring} = \frac{1}{2\pi\sqrt{L_{lead}C_{probe}}}

기호

C_probe정전용량 (probe)capacitance (probe)F

f_ring주파수 (ring)frequency (ring)Hz

L_lead인덕턴스 (lead)inductance (lead)H

예: 150 nH + 10 pF → 130 MHz

빠른 에지를 볼 때 나타나는 링잉(ringing)은 회로가 아니라 프로브가 만든 것입니다.

해결

방법	인덕턴스	링잉
악어클립 15 cm	~150 nH	심함
리드를 5 cm로 자름	~50 nH	개선
스프링 접지 (접지 슬리브)	~10 nH	✅ 거의 없음
브라우저 팁	최소	최선

💡 PCB 설계 시 테스트 포인트(test point) 옆에 접지 패드를 배치하세요. 스프링 접지를 쓸 수 있어야 고속 신호를 제대로 볼 수 있습니다.

실전 설정

트리거

종류	용도
Edge	기본
Pulse width	글리치 검출
Runt	불완전한 펄스
Serial (I2C/SPI/UART)	프로토콜 디버깅
Single	일회성 이벤트 (자극 아티팩트(stimulation artifact) 등)

대역폭 제한 (20 MHz BW limit)

전원 리플(ripple)리플 ripple직류가 되다 만 나머지 교류분으로, 평활 커패시터가 얼마나 큰지로 정해집니다. $V_r = \frac{I}{f\,C}$ 자세히 보기 →이나 저주파 신호를 볼 때 반드시 켜세요. 고주파 잡음이 제거되어 파형이 훨씬 깨끗해집니다.

커플링

모드	용도
DC	기본
AC	큰 DC 위의 작은 리플 (전원 리플 측정)
GND	0 V 기준선 확인

평균화 (Average)

반복 신호의 랜덤 잡음을 $1/\sqrt N$ 로 줄입니다. ⚠️ 일회성 신호에는 쓸 수 없습니다.

고해상도 모드 (Hi-Res)

오버샘플링(oversampling)오버샘플링 oversampling필요한 것보다 빠르게 샘플링해 평균 내면 분해능이 올라가고 안티에일리어싱 필터가 쉬워집니다. $\Delta n = \tfrac{1}{2}\log_2(\mathrm{OSR})$ 자세히 보기 → 후 평균해 수직 분해능을 높입니다(8비트 → 10~12비트). 저주파 소신호에 유용합니다.

★ 전원 리플 측정 — 올바른 방법

흔한 실수: 악어클립 접지 + DC 커플링 + 대역폭 무제한 → 실제보다 5~10배 크게 측정됩니다.

올바른 방법:

AC 커플링 (DC 성분 제거 → 감도를 높일 수 있음)
20 MHz 대역폭 제한 (고주파 픽업 제거)
스프링 접지 (접지 리드 인덕턴스 제거)
프로브를 커패시터(capacitor) 바로 옆에
수직 감도를 최대한 높게 (mV/div)

💡 더 정확하려면 동축 케이블을 직접 납땜하고 50 Ω 종단(termination)으로 측정합니다. 프로브의 기생을 완전히 배제합니다.

⚖️ 트레이드오프

선택	✅	⚠️
10:1 프로브	낮은 용량, 넓은 대역	신호 1/10 → 잡음 상대적 증가
1:1 프로브	감쇠 없음, 소신호에 유리	100 pF 로딩(loading)로딩 loading뒷단이 앞단에서 전류를 끌어가면서 신호가 줄어드는 현상으로, 고임피던스 신호원에서 특히 심합니다.자세히 보기 →
액티브 프로브	1 pF, 최고 대역	비쌈, 전원 필요, 입력 범위 제한, 파손 위험
차동 프로브	접지 불필요, CMRR	매우 비쌈
대역폭 제한 켜기	깨끗한 파형	빠른 에지를 놓침
평균화	잡음↓	일회성 불가
높은 샘플링률	정확한 파형	메모리 소모

🔌 실제 쓰임새

측정	설정
전원 리플	AC 커플링 + 20 MHz BW + 스프링 접지
디지털 신호 무결성(signal integrity)	DC + 최대 BW + 스프링 접지
발진 확인	최대 BW, 프로브 영향 고려
세틀링 시간	고분해능 모드, 확대
µV 신호	❌ 직접 불가 → 증폭 후 측정
자극 아티팩트	Single 트리거

⚠️ µV 신호는 오실로스코프로 직접 볼 수 없습니다. 오실로스코프의 입력 환산 잡음(input-referred noise)입력환산잡음 input-referred noise회로 곳곳의 잡음을 입력단 하나로 몰아 표현한 값으로, 신호와 직접 견줄 수 있어 판정에 씁니다.자세히 보기 →이 수백 µV~mV입니다. 반드시 증폭 후 측정하세요 (11-06).

⚠️ 이상과 실제의 차이

이상	실제
측정해도 회로 안 변함	프로브 용량이 로딩
프로브가 정확	보정 안 하면 진폭 오차
파형이 신호 그대로	접지 리드 링잉, 대역폭 제한
대역폭이 곧 측정 한계	회로 임피던스 × 프로브 용량이 실제 한계
8비트면 충분	소신호에서 분해능 부족

연습문제

문제 1. 상승시간 2 ns인 신호를 측정하려면 오실로스코프 대역폭은?

연습 14-02-1 — 2 ns 에지를 재려면 대역폭이 얼마여야 하나워크벤치에서 열기 →

풀이

BW \geq \frac{0.35}{t_r} = \frac{0.35}{2\times10^{-9}} = 175\ \text{MHz}

기호

B대역폭 또는 자속밀도bandwidth or flux density

t_r상승 시간rise times

W채널 폭channel widthm

정확한 측정(오차 2% 이내)을 위해서는 5배인 875 MHz가 필요합니다. 실무적으로는 500 MHz~1 GHz 오실로스코프를 씁니다.

200 MHz로 측정하면:

t_{r,scope} = \frac{0.35}{2\times10^8} = 1.75\ \text{ns}

기호

t_r,scope시간 (r, scope)time (r, scope)s

t_{r,measured} = \sqrt{2^2+1.75^2} = 2.66\ \text{ns}

기호

t_r,measured시간 (r, measured)time (r, measured)s

33% 크게 측정됩니다.

문제 2. 전원 리플을 쟀더니 100 mVpp가 나왔는데 계산값은 20 mVpp입니다. 무엇을 확인해야 합니까?

exercises/14-02-ripple-5x-measured.yaml

풀이

측정 방법을 먼저 의심하세요.

확인	조치
접지 리드	악어클립 → 스프링 접지로 교체
대역폭 제한	20 MHz 제한 켜기
프로브 위치	커패시터 바로 옆에서 측정
커플링	AC 커플링으로 감도 확보
프로브 보정(probe compensation)	CAL 신호로 확인

이것만으로 대개 계산값에 가까워집니다.

그래도 크다면 실제 문제:

커패시터 DC 바이어스로 용량 감소 (3-04)
ESR/ESL (11-02)
핫 루프(hot loop) 레이아웃 (8-03)
인덕터(inductor) 포화

문제 3. 회로에 프로브를 대면 발진이 멈추고 떼면 발진합니다. 어떻게 해석합니까?

exercises/14-02-probe-stops-oscillation.yaml

풀이

회로가 원래 불안정한 상태입니다. 프로브의 10 pF이 우연히 극을 이동시켜 안정화시킨 것입니다.

이것은 위험한 상황입니다 — 실제 사용 조건에서는 발진합니다.

진단 방법:

액티브 프로브(1 pF) 로 다시 측정
스펙트럼 애널라이저(spectrum analyzer)로 발진 주파수 확인 (비접촉)
소비 전류 확인 (발진하면 증가)
출력 DC 옵셋 확인 (발진이 정류되어 옵셋으로 나타남)
다른 노드에서 간접 관찰

대책: 13-04 참조 — 출력 직렬 저항, 피드백 보상, 전원 디커플링 확인

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