전류는 루프를 형성하며 흐른다

 전류가 흐르려면 반드시 전류가 흐르는 경로는 루프(써클)를 형성해야 한다. 그래서 회로라고 하는 것도 이름이 써킷(circuit)인 것이다. 이것은 케이블의 경우를 살펴 보면 더욱 직관적으로 알 수 있는데, 신호 전달을 위한 케이블은 반드시 2 가닥 이상이 되어야 한다. 한 가닥으로는 신호를 보낼 수 없다. 그 이유는 한 가닥으로는 루프를 형성시킬 수 없기 때문이다. 예외적으로, 아주 옛날엔 한 가닥으로 신호를 보낸 적이 있었는데 그 땐 땅(그라운드)을 나머지 하나의 선으로 사용했었다. 그래서 엄밀히 말하여 역시 2가닥을 사용한 것이라고 봐도 되겠다. 
 

 그런데 회로도를 보면 신호선은 한 가닥으로 구성이 된다. 루프를 형성하기 위한 나머지는 어디 있는 걸까? 회로도에서 루프를 찾아보자. 아래 그림은 어떤 회로도의 일부이다. 회로도의에서 빨간쌕으로 표시된 SCLK라는 신호와 노란색으로 표시된 I2C_SCL이라는 를 주목해 보자.

 SCLK와 I2C_SCL은 MCU에서 나와서 U3와 VR1으로 가는 신호다. 이 신호 자체만으로는 루프를 형성할 수 없다. 루프를 이루기 위한 나머지 부분은 어디일까? 그것은 power인 VDD_3V3이 될 수도 있고 ground인 GND가 될 수도 있다. 먼저 SCLK의 경우를 살펴보자. 아래 그림은 실제 보드로 구현되었을 때이다.

 이 보드는 4층으로 구성이 되었는데 TOP 층에 부품이 있고 SCLK 라인은 BOTTOM 층에서 구현이 되었다. 엷은 파란색은 세번째 층으로 VDD_3V3(power) 이다. 루프를 이루기 위한 나머지는 세번째 층의 VDD_3V3에서 SCLK 라인 바로 위에서 보라색처럼 형성이 된다.
 I2C_SCL의 경우 아래 그림처럼 구현이 되었는데, TOP 층에서 구현이 되었다. 두번째 층은 GND(ground)이다. 루프를 형성하기 위한 나머지는 두번째 층의 GND에서 I2C_SCL 바로 아래에서 회색처럼 형성이 된다.

 신호선인 SCL이나 I2C_SCL 를 signal path라고 부르며, 루프를 이루는 나머지 부분을 return path라 부른다. return path가 signal path 바로 아래에 형성되는 이유는 전류가 impedance가 가장 낮은 곳으로 흐르려고 하는 특성을 갖고 있기 때문이다. signal path 바로 아래에 return path가 형성이 되어야 loop가 최소화 되고 inductance가 최소화 되어 impedance가 낮아지게 된다.

 위 예에서는 power 와 ground를 모두 return path로 사용하는 경우를 살펴 보았다. 경우에 따라서는 둘 중 하나만 return path로 사용할 수도 있다. 사용 전압이 다른 부품 간에 신호를 주고 받을 때는 ground를 return path로 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 power는 서로 다른 전압을 사용하므로 두 파워 간에 단절이 있어서 루프를 형성하기 어렵기 때문이다. 보드 내에서 return path의 결정은 디자이너와 엔지니어의 몫이다. 다만 규격화된 보드와 보드간에 있어서의 return path는 정해진 대로 사용하면 된다.