전송선로에서 Crosstalk 저감 설계,부하 조건에 따른 반사,종단 방식 4가지 특성

1. 전송선로 내의 반사와 반사계수

고속 디지털 회로나 고주파 신호를 다루는 시스템에서, 전송선로는 단순한 ‘선’ 이상의 의미를 갖습니다.
전압이 흐르는 통로이자, 신호의 품질을 결정짓는 매우 중요한 요소이기 때문입니다.
하지만 이 전송선로 상에서는 종종 예상치 못한 문제가 발생하곤 합니다.
바로 신호의 반사(Reflection)와 크로스톡(Crosstalk)입니다.
이러한 문제들을 제대로 해결하기 위해서는 단순한 회로 설계 이상의 접근이 필요하며, Crosstalk 저감 설계는 그 핵심 전략 중 하나로 자리 잡고 있습니다.
신호의 무결성을 유지하고, 시스템의 EMC 특성까지 확보하려면 Crosstalk 저감 설계를 포함한 전송선로의 종단 처리와 간섭 억제 전략을 반드시 고려해야 합니다.

1-1) 반사가 발생하는 원인

우리가 회로를 설계할 때 단순히 신호를 보내는 선 하나만 놓는다고 해서 끝나는 건 아닙니다.
특히 고속 신호나 고주파 신호를 다룰 때는 그 신호가 ‘전송선로’ 위를 움직이는 파동처럼 행동합니다.
이때 전송선로의 특성에 따라 신호가 부하에 도달했을 때 일부가 되돌아오는 현상, 즉 반사(Reflection)가 발생할 수 있습니다.

왜 반사가 생길까요?
핵심은 임피던스 불일치입니다.
전송선로를 물로 채운 파이프로 비유해보면, 파이프가 갑자기 좁아지거나 막혀 있으면 물이 튀어 오르듯이, 신호도 갑자기 특성이 바뀌는 지점에서 반사되게 됩니다.

예를 들어보겠습니다.
전송선로의 특성 임피던스가 50Ω인데, 부하(Load)가 50Ω이 아닌 100Ω이나 10Ω이라면?
→ 이때 신호는 부하에서 완전히 흡수되지 않고 일부가 다시 소스 쪽으로 튕겨 나오게 됩니다.
이게 바로 전기적인 ‘메아리’인 반사입니다.

이 반사파는 원 신호와 겹치면서 잡음을 만들거나, 타이밍을 왜곡시켜 디지털 신호의 정확도를 떨어뜨리게 됩니다.
이것이 바로 신호 무결성(Signal Integrity) 문제의 시작점이며, 이런 반사를 잘 제어하는 것이 바로 Crosstalk 저감 설계의 기본 중 하나입니다.

1-2) 반사계수(Reflection Coefficient) 개념

그렇다면 이 반사가 얼마나 심한지를 수치로 나타낼 수 있을까요?
바로 이때 등장하는 게 반사계수(Reflection Coefficient)입니다.

반사계수 예시로 정리하면

예를 들어, 전송선로가 50Ω이고, 부하가 75Ω이면

Γ=(75−50)/(75+50)=25/125=0.2

→ 약 20%의 신호가 반사된다는 의미입니다.
이 반사된 신호가 입력단으로 돌아오면, 거기서 또 다른 회로에 영향을 미쳐 간섭이나 Crosstalk를 유발할 수도 있습니다.

그럼 왜 반사계수가 중요할까요?

고속 회로에서는 수 ns 단위의 신호 지연에도 시스템이 오동작할 수 있습니다.
만약 이 반사파가 신호 경계에 겹치면, 클록이 오차를 내거나 데이터가 이상하게 읽히는 등 심각한 문제로 이어질 수 있습니다.
이러한 이유로 전송선로의 반사를 방지하고, 이를 제대로 정합하는 과정이 Crosstalk 저감 설계에서 매우 중요합니다.

반사가 발생하면 어떤 일이 생길까요?

신호에 리플(Ringing)이나 Overshoot가 생기거나 데이터 유효 구간이 짧아집니다. (Eye Diagram이 찌그러짐)
타이밍 에러로 인해 Bit Error 발생할 수도 있습니다.
결국 주변 선로에 간섭이 생겨 Crosstalk 저감 설계에 실패하게 됩니다.

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2. 부하 조건에 따른 반사

전송선로에서 신호가 끝까지 도달했을 때, 그 끝단에서의 ‘부하’가 어떤 조건이냐에 따라 신호가 반사될 수도 있고, 깨끗하게 흡수될 수도 있습니다.
우리가 흔히 이야기하는 종단 임피던스 매칭(Termination Matching)이 바로 이 부하 조건을 의미합니다.

만약 이 종단 임피던스가 전송선로의 전송선로 특성 임피던스와 잘 맞지 않으면, 신호는 부하에서 일부 또는 전부가 다시 튕겨 나와 반사가 발생하게 됩니다.
이 반사된 신호는 단순히 되돌아오는 것에 그치지 않고, 회로 전반에 영향을 줍니다.
특히 다른 신호선에까지 간섭을 주게 되면, 우리가 강조하는 Crosstalk 저감 설계의 목표를 크게 훼손하게 됩니다.

2-1) 종단 임피던스 매칭에 따른 반사 특성 변화

전송선로의 끝단, 즉 부하 쪽 임피던스 Z_L와 선로 자체의 특성 임피던스 Z₀가 일치할 때, 반사는 일어나지 않습니다.
이게 바로 완전 매칭(Perfect Matching) 상태입니다.

위의 반사계수 수식을 보면, Z_L=Z₀이면 분자가 0이 되어 Γ=0, 즉 반사 없음이 됩니다.

하지만 대부분의 경우 회로에는 다양한 IC, 커넥터, 로직 레벨의 차이 등이 존재하기 때문에 매칭을 완벽하게 유지하기가 쉽지 않습니다.
그래서 다음과 같은 조건들에서 다양한 반사 현상이 생기게 됩니다.

위의 표처럼, 부하 임피던스를 어떻게 설정하느냐에 따라 반사의 크기와 위상 특성이 크게 달라집니다.
특히 오픈 회로나 단락 회로 상태에서는 완전한 반사가 발생하게 되고, 이러한 반사 신호는 회로의 다른 선로에도 영향을 줄 수 있습니다.
즉, Crosstalk 저감 설계를 제대로 하기 위해서는 종단 조건을 매우 정교하게 고려해야 한다는 뜻입니다.

2-2) 신호 무결성(Signal Integrity)과의 관계

반사는 단순히 하나의 선로에서 끝나는 문제가 아닙니다.
반사로 인해 신호의 형상이 왜곡되면, 수신부에서는 정확한 High/Low를 인식하지 못하게 되고, 이는 곧 신호 무결성(SI, Signal Integrity)의 저하로 이어집니다.

반사에 의한 신호 무결성 문제 예를 들어보면,

신호가 ‘High’로 유지되어야 할 순간에, 반사로 인해 신호선에 ‘리플(Ripple)’이 발생 → 데이터 오 판단
클록 신호가 반사로 인해 앞뒤로 흔들리는 경우 → 타이밍 에러
신호 에지가 번지는 경우 → 인터페이스 규격 만족 못 함 (예: USB, HDMI 등)

이러한 반사된 신호는 주변 다른 신호선에 영향을 주어, Crosstalk(크로스톡)이라는 간섭 문제를 일으킬 수 있습니다.
실제로 고속 설계에서는 반사와 크로스톡을 동시에 고려해야 하며, Crosstalk 저감 설계는 이 둘을 함께 다루는 접근이 필요합니다.

신호 무결성과 Crosstalk 저감 설계의 핵심인 반사를 줄이는 방법은?

종단 저항(Termination Resistor)을 이용해 부하 임피던스를 선로에 맞춤
PCB 레이아웃 설계 시, 선로 길이 최소화
신호를 드라이브하는 소자에서 너무 강한 드라이브를 하지 않도록 설계
레이어 구조를 잘 구성해 GND와의 거리를 조절하여 전송선로 특성 임피던스 유지
반사로부터 발생할 수 있는 크로스톡을 고려해, 다른 신호선과의 간격 확보 또는 쉴딩 설계
→ 모두 Crosstalk 저감 설계의 일환

종단 조건에 따라 전송선로에서의 반사는 큰 차이를 보입니다.
단순한 오픈 상태나 단락 상태는 신호 반사를 극단적으로 키우고, 이는 다시 신호 무결성 문제로 이어집니다.
이런 반사는 신호선 간 간섭, 즉 Crosstalk 문제까지 유발할 수 있고, 결국 시스템 전체의 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있습니다.

따라서 설계 단계에서부터 종단 임피던스 매칭을 잘 맞추고, Crosstalk 저감 설계를 고려한 신호선 배치 및 구조 설계가 무엇보다 중요합니다.
특히 고속 PCB 설계나 고주파 회로에서는, 이런 기본이 되어야 비로소 안정적인 시스템이 만들어질 수 있습니다.

3. 종단 방식별 특성 비교

회로를 설계할 때, 신호의 정확한 전달을 위해 종단(Termination) 방식이 매우 중요합니다.
종단은 전송선로에서 발생할 수 있는 신호 반사를 방지하여 신호 무결성을 유지하는 역할을 합니다.
이번에는 대표적인 종단 방식인 직렬 종단(Series Termination), 병렬 종단(Parallel Termination), 더비닌 종단(Thevenin Termination), 그리고 RC(AC) 종단에 대해 설명하도록 하겠습니다.

3-1) 직렬 종단 (Series Termination)

말 그대로 신호를 보내는 쪽(드라이버)과 PCB 전송선로 사이에 저항을 직렬로 연결하는 구조입니다.
이때 중요한 포인트는 단순히 저항 하나만 넣는 게 아니라, IC 내부의 소스 저항(Rs)까지 고려해서 전송선로의 특성 임피던스(Z₀)와 맞춰야 한다는 점이에요.

왜 이런 계산이 필요할까요?
전송선로는 보통 일정한 특성 임피던스(Z₀)를 가지고 있습니다.
예를 들어 PCB의 마이크로스트립 라인은 보통 50Ω입니다.
이 선로에 신호를 보낼 때, 시작점의 저항이 Z₀와 맞지 않으면 신호가 일부 반사되거나 깨질 수 있습니다.

그래서 직렬 종단에서는 “소스 저항 Rs + 종단 저항 R = Z₀”가 되도록 설계합니다.

예시로 이해해보도록 하겠습니다.
전송선로의 특성 임피던스: Z₀ = 50Ω
IC 내부의 소스 저항: Rs = 20Ω

그렇다면, 직렬 종단 저항 R은?

R=Z₀−Rs=50Ω−20Ω=30Ω

즉, 드라이버와 전송선로 사이에 30Ω 저항을 직렬로 넣으면 됩니다.
이렇게 하면 신호가 선로를 타고 흐를 때 반사 없이 안정적으로 전송됩니다.

3-1-1) 직렬 종단의 장점

저전력 소모
→ 종단 저항을 수신단이 아닌 송신단에 넣기 때문에, 회로에 항상 전류가 흐르는 게 아닙니다.
신호가 바뀔 때만 전류가 흐르므로 전력 소모가 매우 적습니다.
부품이 적다
→ 종단 저항 하나만 넣으면 되니, 설계가 간단하고 비용도 적게 듭니다.
설계 편의성
→ 송신단에만 저항을 넣으면 되니까 PCB 라우팅도 쉽고, 소형 회로에서도 적용이 편합니다.

3-1-2) 직렬 종단의 단

단방향 회로만 가능
→ 이 방식은 송신 → 수신 방향으로만 신호가 흐르는 경우에 적합합니다.
양방향 통신에는 적용하기 어렵습니다.
1:다 회로에는 부적합
→ 예를 들어 하나의 송신선이 여러 수신 IC로 분기되는 구조에서는 반사가 발생하기 쉬습니다.
이럴 땐 다른 종단 방식이 더 적합합니다.
신호 지연 발생
→ 신호가 수신단에서 반사되어 다시 돌아온 뒤에야 파형이 완성되기 때문에, 전파 지연이 생깁니다.
고속 설계에서는 이 부분을 꼭 고려해야 합니다.

직렬 종단은 비교적 간단하면서도 저전력인 구조라서, 단방향, 포인트-투-포인트(Point-to-Point) 회로에서는 아주 유용하게 쓰입니다.
예를 들어 마이크로컨트롤러가 LED 드라이버나 LCD 컨트롤러에 데이터를 보내는 구조에서는 이 방식이 적합합니다.

하지만, Crosstalk 저감 설계 측면에서는 약간의 주의가 필요합니다.
종단이 송신단에만 있기 때문에, 선로 중간에서 반사되거나 인접 신호선과 간섭이 발생할 여지가 있습니다.
따라서 고속 신호 설계에서는 직렬 종단과 더불어 선로 간격 확보, GND 레이어 확보 등 다양한 Crosstalk 저감 설계 기법과 함께 사용되어야 효과를 높일 수 있습니다.

3-2) 병렬 종단(Parallel Termination)

고속 디지털 신호가 전송선로를 따라 이동할 때 가장 문제가 되는 것 중 하나가 바로 반사와 크로스토크(Crosstalk)입니다.
특히 신호가 수신단에 도달했을 때 반사되어 다시 소스로 튀어가는 현상은 신호 무결성(SI)에 큰 문제를 일으킬 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나가 바로 병렬 종단(Parallel Termination)입니다.
고속 설계에 있어서 Crosstalk 저감 설계와 함께 고려되어야 할 중요한 종단 방식이기도 합니다.

병렬 종단은 말 그대로 선로의 끝(수신단)에 저항을 병렬로 연결하는 방식입니다.
저항의 한 쪽은 신호선에, 다른 한 쪽은 접지(GND)나 전원(VCC)에 연결됩니다. 이렇게 하면 신호가 수신단에 도달했을 때, 잉여 에너지가 저항을 통해 소멸되어 반사가 일어나지 않게 됩니다.

어떻게 종단 저항값을 설정할까요?

병렬 종단에서도 핵심은 전송선로의 특성 임피던스(Z₀)에 맞춰 저항값을 결정하는 것입니다.
일반적으로

R_termination=Z₀

예를 들어, 전송선로의 특성 임피던스가 50Ω이라면, 50Ω 저항을 GND 또는 VCC에 연결해주면 됩니다.
이렇게 하면 수신단에서 신호가 반사되지 않고 저항을 통해 흡수되면서 깨끗하게 마무리됩니다.

3-2-1) 병렬 종단의 장점

신호 지연이 거의 없음.
직렬 종단처럼 반사가 돌아올 때까지 기다릴 필요가 없기 때문에, 신호가 도착하자마자 안정된 파형을 얻을 수 있습니다.
1:다 구조에서도 사용 가능
하나의 드라이버가 여러 수신기를 구동하는 구조(버스 시스템 등)에서도 안정적으로 동작합니다.
양방향 통신에 적합
직렬 종단은 단방향에 적합한 반면, 병렬 종단은 송신과 수신이 바뀌는 양방향 통신 라인에도 적용할 수 있습니다.
Crosstalk 저감 설계와 병행 가능
병렬 종단은 종단에서 신호를 깔끔하게 정리해 주기 때문에, 선로에서 발생하는 크로스토크 신호 간섭을 줄이는 데도 도움을 줄 수 있습니다.

3-2-2) 병렬 종단의 단점

항상 전류가 흐른다 → 전력 소모 큼
저항이 전원(VCC)이나 접지(GND)에 연결되어 있기 때문에, 신호가 High일 때든 Low일 때든 전류가 항상 흐릅니다.
이로 인해 소모 전력이 비교적 큽니다.
전원 라인 노이즈에 취약할 수 있음
특히 pull-up 방식에서는 전원 노이즈가 신호에 영향을 줄 수 있어, Crosstalk 저감 설계를 함께 적용해야 합니다.

병렬 종단은 간단하면서도 효과적인 종단 방식으로, 양방향 통신이나 멀티 드라이버 환경, 크로스토크 저감 설계를 함께 고려해야 하는 복잡한 PCB 설계에서 매우 유용하게 활용됩니다.

3-3) 테브닌 종단(Thevenin Termination)

Thevenin 종단은 수신단에 저항 두 개를 이용해 전압 분압 회로를 구성하는 방식입니다.
하나의 저항은 전원(VCC)에 연결하고, 다른 하나는 접지(GND)에 연결합니다.
그리고 그 중간 지점을 신호선에 연결합니다.

이 방식은 단순한 병렬 종단보다 약간 복잡해 보일 수 있지만, 신호 레벨 유지, 반사 억제, 그리고 경우에 따라서는 DC 바이어스 공급까지 가능하기 때문에 여러 방면에서 장점이 많습니다.

이 두 저항의 병렬값이 전송선로의 특성 임피던스(Z₀)와 같도록 맞춰주는 것이 핵심입니다.

R_eq=R₁×R₂/(R₁+R₂) = Z₀

예를 들어 전송선로의 특성 임피던스가 50Ω이라면, R1 = 100Ω, R2 = 100Ω으로 하면 병렬 연결 시 정확히 50Ω이 됩니다.

3-3-1) 테브닌 종단의 장점

DC 바이어스 제공 가능
R1과 R2를 통해 수신단에 일정 전압이 걸리기 때문에, 수신 IC에 기본적인 직류 전압을 공급할 수 있습니다.
그래서 SCSI, GPIB, VME 버스 같은 고속 통신 시스템에서 자주 사용됩니다.
Crosstalk 저감 설계에 효과적
전송선로의 반사를 줄여주기 때문에 인접 라인으로의 간섭이 줄어들고, 결과적으로 Crosstalk 저감 설계 전략의 일부로 활용됩니다.
양방향 통신 라인에도 적합
시리즈 종단처럼 단방향만 가능한 방식과 달리, 테브닌 종단은 양방향 데이터 버스에도 적용이 가능합니다.
전압 센터값 설정 가능
저항 값만 잘 선택하면 신호 레벨의 기준 전압(Vm)을 사용자 정의할 수 있어, 신호가 안정되게 인식될 수 있도록 도와줍니다.

3-3-2) 테브닌 종단의 단점

구성 복잡도
저항이 두 개 필요하고, 전원과 접지 모두 연결되어야 하므로 회로가 약간 더 복잡해집니다.
항상 전류가 흐름 → 전력 소모 증가
병렬 종단과 마찬가지로 전류가 항상 흐르기 때문에, 전력 소모가 증가하며, 전원 공급 회로의 설계에 주의가 필요합니다.
고속 설계에서는 EMI 문제 고려 필요
신호의 전환이 잦은 회로에서는 EMI(전자기 간섭) 문제와 함께 Crosstalk 저감 설계를 병행해야 더욱 안정적인 회로 구성이 가능합니다.

테브닌 종단은 단순히 반사만 줄이는 것이 아니라, 신호선의 전위 안정성까지 고려할 수 있는 설계 방식입니다.
반사가 줄어들면 그만큼 선로 내에서 튀는 신호가 적어지고, 인접 신호선으로 전이되는 간섭, 즉 Crosstalk도 크게 줄일 수 있습니다.

특히 멀티 드라이버 시스템이나 고속 병렬 통신 버스 구조에서는 Crosstalk가 시스템의 오작동이나 신호 인식 오류를 유발할 수 있는데, Thevenin 종단은 이러한 시스템에서 매우 유용한 Crosstalk 저감 설계 기법으로 작용합니다.

또한 다른 종단 방식에 비해 DC 안정성까지 고려할 수 있으므로, 전원 노이즈나 EMI에 민감한 회로에서는 Ground plan 강화, 선로 간격 확보 등 Crosstalk 저감 설계 기법과 함께 조합하여 사용하는 것이 좋습니다.

즉, 테브닌 종단은 단순한 종단을 넘어 전송선로의 특성 임피던스 정합, 전압 기준 설정, 크로스토크 억제 등 복합적인 신호 안정성을 확보할 수 있는 전문적인 종단 기법입니다.
Crosstalk 저감 설계를 제대로 고려한 PCB 설계를 하고자 할 때 반드시 알아두어야 할 방법 중 하나입니다.

3-4) RC(AC) 종단

RC(AC) 종단은 말 그대로 저항(Resistor, R)과 커패시터(Capacitor, C)를 조합한 방식입니다.
이 구성은 종단 지점에서 신호를 바로 GND로 연결하지 않고, RC 직렬 회로를 통해 접지에 연결함으로써 반사는 줄이면서도 직류 전류의 흐름을 막는 특징이 있습니다.

RC 종단은 그래서 AC 종단(AC Termination)이라고도 불립니다.
고속 디지털 신호처럼 빠르게 전압이 변화하는 신호에서는 커패시터가 일종의 단락 역할을 하므로 반사를 효과적으로 억제해 주지만, DC 전압은 통과시키지 않기 때문에 전력 소모가 적다는 장점이 있습니다.

예를 들어, Z₀ = 50Ω, Tr = 1ns 라면

이처럼 커패시터의 값은 신호 특성에 따라 조정이 필요합니다.
그래서 RC 종단은 단순 병렬 종단보다는 설계가 다소 까다롭습니다.

3-4-1) RC(AC) 종단의 장점

낮은 전력 소모
커패시터가 DC 성분을 차단하기 때문에 종단 저항으로 인한 지속적인 전류 소모가 발생하지 않습니다.
이는 전력 민감한 회로나 휴대형 기기에서 매우 유리합니다.
반사 억제 및 신호 왜곡 감소
RC 조합은 반사된 고주파 성분을 흡수하여 신호 왜곡을 줄여줍니다.
결과적으로, Crosstalk 저감 설계 측면에서 매우 유효한 방식입니다.
멀티드롭 버스에 적합
하나의 송신기가 여러 수신기와 연결되는 Bus Topology에서는 항상 직류 전력이 공급되기보다, 필요한 경우에만 교류 신호만 안정화하는 RC 방식이 더욱 효율적입니다.

3-4-2) RC(AC) 종단의 단점

부품 수 증가
종단에 저항과 커패시터 2개 부품이 필요하기 때문에, 보드 면적과 비용이 소폭 증가할 수 있습니다.
설계 난이도 증가
커패시터 값을 적절히 계산하여 선택해야 하며, 신호 상승 시간(Tr)과 전송선로 임피던스를 정확히 알아야 하므로 초보자에게는 다소 어려울 수 있습니다.
DC 바이어스가 필요한 회로에는 부적합
커패시터가 DC 성분을 차단하기 때문에, 신호선에 일정한 DC 전압이 필요한 시스템(예: SCSI 등)에는 사용할 수 없습니다.

RC(AC) 종단은 반사 억제를 통해 간접적으로 Crosstalk를 줄이는 중요한 설계 방식입니다.
신호가 수신단에서 깔끔하게 소멸되지 않고 반사되면, 그 에너지는 다시 회로를 타고 돌아다니며 인접한 신호선에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 이게 바로 Crosstalk의 원인 중 하나입니다.

RC 종단은 특히 짧은 상승시간을 가진 고속 신호, 그리고 선로 간 거리가 가까운 PCB에서 매우 중요한 역할을 합니다.
Crosstalk 저감 설계의 일환으로 RC 종단을 적용하면, 반사로 인한 노이즈와 신호 충돌을 줄이면서 안정적인 시스템을 만들 수 있습니다.

RC(AC) 종단은 회로 설계자 입장에서 다소 귀찮고 계산이 필요한 종단 방식일 수 있지만, 그만큼 전력 효율과 신호 무결성(SI)을 동시에 만족시킬 수 있는 절충형입니다.
특히 반사를 줄이면서 Crosstalk 저감 설계의 중요한 구성 요소로 고려할 수 있다는 점에서, 고속 디지털 회로나 멀티드롭 버스를 사용하는 시스템에서는 꼭 검토해 볼 만한 방식입니다.

Crosstalk 저감 설계를 제대로 하려면 단순히 선로 간격만 늘리는 것이 아니라, 이렇게 종단 방식도 회로 특성에 맞게 잘 선택하는 것이 중요합니다.
시스템의 성능을 높이는 건 결국 작은 설계의 차이에서 시작됩니다.

3-5) 4가지 종단 방식 비교