3.3V를 보냈는데 5.5V가 도착했다

한 줄 요약

케이블은 순간 이동 장치가 아닙니다. 빠른 전압 변화는 선로를 이동하고, 양 끝의 임피던스가 다르면 돌아옵니다. 보낸 전압보다 큰 수신 전압도 이 반사의 결과일 수 있습니다.


그림은 이 과정과 같은 명목 조건으로 계산한 실제 solver 출력입니다. 실물 측정은 아닙니다. 선의 색뿐 아니라 범례와 전압·시간 축을 함께 읽으세요.

왜 이게 필요했나

“출력을 3.3V로 설정했는데 입력에 5.5V가 나타났어요.” 첫 반응은 측정기가 고장 났다는 의심일 겁니다. 하지만 전송선의 경계에서 진행파와 반사파가 더해지면 전원 전압보다 높은 순간 전압이 생길 수 있습니다. 이 수업에서는 장비를 연결하지 않고 ngspice의 이상적 전송선 모델로 그 현상을 재현합니다. 실제 보드의 허용 전압을 확인했다는 뜻은 아닙니다.

느린 회로에서는 선을 하나의 같은 전위로 취급해도 문제가 잘 드러나지 않습니다. 반면 신호의 상승 시간이 전파 시간에 비해 짧으면 송신단이 바뀌는 동안 수신단은 아직 옛 상태에 있습니다. 중요한 비교는 단순히 초당 몇 번 데이터를 보내는지가 아니라 에지가 얼마나 빠르게 바뀌는가입니다. 전송 빈도가 낮아도 에지가 빠른 신호는 이 검토가 필요할 수 있습니다.

이전 전자회로 입문에서 저항 분압을 배웠다면 출발점은 같습니다. 달라지는 것은 처음에 송신기가 보는 상대입니다. 파가 부하까지 다녀오기 전에는 먼 끝의 저항이 바뀌었다는 정보를 즉시 알 수 없습니다. 먼저 선로의 특성 임피던스 Z0와 전압을 나누고, 나중에 돌아온 파가 송신단의 상태를 바꿉니다.

어떻게 동작하나

이번 모델의 이름과 단위를 먼저 고정합시다. Vs는 전원 전압 V, Rs는 드라이버와 추가 직렬 저항을 합한 Ω, Z0는 선로 특성 임피던스 Ω, RL은 부하 저항 Ω입니다. TD는 편도 전파 시간입니다. 선로의 물리 길이를 직접 입력하는 대신 Z0와 TD를 지정하며, 유전체와 배선 구조를 이 두 숫자로 요약한 셈입니다.

| 항목 | 기준 조건 | 뜻 |
| --- | --- | --- |
| 전원 | 3.3V, 1ns에 상승 시작 | 시간 0에 켜지는 신호가 아님 |
| 에지 | 상승 시간 0.2ns | 이상적 수직선이 아닌 짧은 경사 |
| 소스 | 드라이버 10Ω, 추가 0Ω | 총 Rs는 10Ω |
| 선로 | Z0=50Ω, TD=2ns | 왕복에는 4ns가 걸림 |
| 부하 | 1GΩ | 매우 크지만 무한대는 아님 |

처음 앞으로 나가는 전압의 크기 A는 분압으로 구합니다. 반사계수는 경계의 저항이 선로와 얼마나 다른지 나타내며 단위가 없습니다. 부하에서 반사되는 파는 A에 ΓL을 곱한 값입니다. 수신단에서 보는 전압은 두 파를 더한 A×(1+ΓL)입니다.

A  = Vs × Z0 / (Rs + Z0)ΓL = (RL - Z0) / (RL + Z0)ΓS = (Rs - Z0) / (Rs + Z0)첫 수신 평탄부 = A × (1 + ΓL)두 번째 수신 평탄부 = A × (1 + ΓL) × (1 + ΓS × ΓL)

기준 조건에서 A는 2.75V입니다. 부하가 매우 크면 ΓL은 1에 가까워 첫 수신 평탄부가 약 5.5V가 됩니다. 드라이버 10Ω은 선로 50Ω보다 작아서 ΓS는 음수입니다. 돌아온 파가 소스에서 반사되어 다시 부하에 도착하면 다음 변화는 음의 방향입니다. “반사되면 항상 더 커진다”가 아니라 반사계수의 부호와 누적된 파를 같이 봐야 합니다.

시각도 함께 셉니다. 송신 에지는 1ns에 출발하므로 수신 에지는 3ns부터 나타납니다. 상승 시간 0.2ns가 지나야 첫 평탄부를 읽을 수 있습니다. 부하에서 돌아온 파는 5ns 무렵 소스에 닿고, 거기서 다시 나간 파는 7ns 무렵 부하에 닿습니다. TD를 왕복 시간으로 오해해 4ns를 넣으면 전압이 그럴듯해도 사건 순서가 달라집니다.

CSV의 time_s는 초이고, 입력 JSON의 시간 필드는 ns입니다. 같은 시간도 CSV에서는 3e-9, 설명에서는 3ns로 나타납니다. 임계 전압 도착 시각을 구할 때는 처음 임계값을 끼우는 두 표본을 찾고 직선으로 보간합니다. 첫 표본부터 임계값 이상이면 첫 시각을 반환하고 끝까지 도달하지 않으면 None을 반환합니다. 무조건 0을 반환하면 “도달하지 않았다”와 “처음부터 높았다”가 섞입니다.

표본 중 임계값보다 큰 첫 점만 고르면 실제 교차는 그보다 앞에 있었는데도 늦게 기록합니다. 예를 들어 2ns에서 1V, 4ns에서 3V이면 2V 교차는 선형 보간상 3ns입니다. 이 계산은 두 점 사이를 선형이라고 근사하는 수치 규약입니다. 실제 전자기장의 모든 세부를 측정한 결과가 아닙니다.

현장에서 만나는 모습

신호 무결성 업무는 출력 숫자 하나를 보는 일이 아닙니다. 회로와 배선 모델을 구성하고, 파형의 시간·전압을 해석하며, 왜 이상적인 예측과 실제 계측이 달라지는지 설명해야 합니다. 공개된 NVIDIA SI/PI 직무 공고의 전송선 이론·시뮬레이션·스크립팅 요구를 이 행동으로 옮겼습니다. 한 공고가 전체 채용 시장이나 취업 가능성을 보증하지는 않습니다.

실물에는 손실, 입력 커패시턴스, 패키지, 커넥터, 비아와 측정 프로브가 더해집니다. 이번 ngspice T 소자는 이상적 단일 모드 무손실 선로입니다. 실제 케이블 재료를 선정하거나 PCB가 정격을 만족한다고 판단하려면 추가 모델과 계측이 필요합니다. 제한된 모델에서 원리를 먼저 분리해 배우는 것이 이번 과정의 역할입니다.

이어서 배울 것

다음 모듈에서는 저항 하나로 반사가 달라지는 이유를 봅니다. 마지막 모듈의 실습에서는 실제 solver가 만든 CSV를 읽고 도착 시각과 반사 전압을 Python 함수로 계산합니다. 단순히 예시 숫자를 복사하는 대신 다른 전압·저항 조건에서도 같은 계약을 만족시킵니다.