CMOS逆變器

CMOS逆變器非常簡單，它將功耗降至最低水平。它由一對增強型NMOS和PMOS組成，作為交換機運行，串聯連接，如圖所示。請注意，每個晶體管用作另一個晶體管的負載電阻。

CMOS逆變電路

柵極端子的接頭是輸入端，漏極的接頭是輸出端。PMOS （Q1） 襯底和源與 +V 綁定，而在 NMOS （Q2） 中，它們接地。

在晶體管Q2中對輸入施加+V（邏輯1）Vgs = +V時，它被打開，其源極和漏極之間的電阻變得非常小。相比之下，晶體管Q1中的Vgs = 0 V，使其保持“關斷”，漏極和源極之間具有高電阻。通過采用分壓器規則計算輸出電壓，結果接近0 V（邏輯0） 。

輸入端具有邏輯1的CMOS逆變器

因此，在輸入端施加+V會導致輸出端產生約0 V電壓，從而建立所需的反轉過程。

將輸入接地，晶體管Q2中的Vgs = 0 V，保持“關閉”，晶體管Q1中的Vgs = -V，并且“導通”。現在，Q1在源極和漏極之間具有低電阻，Q2具有高電阻。因此，輸出電壓接近+V（邏輯1）。

輸入端邏輯為0的CMOS逆變器

NMOS是一個下拉晶體管，因為它將輸出下拉到地（零電壓），而PMOS是一個上拉晶體管，因為它將輸出上拉至+V。

CMOS的橫截面

CMOS在基板上制造，用作電氣參考并提供機械支撐。橫截面將晶圓切開到晶體管的中間，并在其側面觀察。

圖是CMOS柵極的粗略橫截面，其中NMOS和PMOS晶體管在同一芯片上實現。對于p溝道和n溝道器件，右側感應p溝道，左側感應n溝道。

CMOS柵極橫截面

在這種布置中，PMOS晶體管直接在n型襯底（體）中進行，NMOS晶體管在通常稱為p阱的p型區域中進行。孔是一種重要的低摻雜水平的深擴散，可作為一個裝置的基質，并在兩種裝置類型之間提供隔離。

采用p型底物作為主體并在n孔中形成p型器件也是可行的。未指定與n型體和p型孔的連接。

CMOS逆變器的功耗

CMOS電路的直流輸入電流可以忽略不計。兩種狀態下的功耗都很低，因為“關斷”晶體管將漏極電流限制在漏電流。功耗僅在輸入切換期間才明顯。

雖然CMOS的平均功率要求較低，但其幅度取決于電路的活動。例如，在靜態電路中（不發生邏輯變化），CMOS消耗的功耗最小。與TTL相比，此功能使CMOS通常具有高能效。但是當以高頻改變狀態時，消耗的功率可能會幾乎增加到TTL的水平。

CMOS逆變器的直流電壓傳輸特性

直流電壓傳輸特性（VTC）有助于量化逆變器的運行。但是，它只是一個輸出電壓 （Vo） 與輸入電壓 （Vi） 的關系圖。

采用CMOS技術的逆變器具有非常接近理想的VTC。例如，圖顯示了Q1和Q2匹配的CMOS逆變器的VTC。

CMOS逆變器的VTC

在Q1和Q2匹配的情況下，逆變器具有對稱傳輸特性，并在上拉和下拉方向上具有相等的電流驅動能力。CMOS逆變器的一個重要特性是高輸出電壓擺幅。

如圖9所示，VTC根據Q1和Q2的操作模式分為五個部分：

第 1 部分：Q2 關閉

第2段：Q2處于飽和狀態，Q1處于歐姆區域

第 3 部分：Q1 和 Q2 飽和

第 4 段：Q1 處于飽和狀態，Q2 處于歐姆區域

第 5 部分：Q1 關閉

該圖允許我們將邏輯 0 和邏輯 1 電壓定義擴大到每個邏輯電平的電壓范圍。此外，用于定義邏輯 0 和邏輯 1 值的限制對于輸出和輸入是不同的。有效值是輸入電壓 Vih 和 Vil、輸出電壓 Voh 和 Vol 以及閾值電壓 VT.

Vih和Vil是VTC點，其斜率（dVo/dVi）為?1 V/V。當Vi》Vil時，逆變器增益增加，VTC進入其過渡區。同樣，當Vi《Vih時，逆變器進入過渡區域，增加增益。

VTC的另一個基本要素是單位增益線。這條線的斜率 = 1，并將曲線切割到 Vo = Vi 的點。在VTC的中點，逆變器切換狀態。因此，使用上述VTC，輸出在地+V（+V/2時）之間精確地改變狀態。

當晶體管Q1和Q2不匹配時，VTC將不對稱。