D5 · MOSFET

CMOS 反相器：翻转，却几乎不耗电

MOSFET 大大改变世界的舞台是数字电路。亲手扫动加在 NMOS-PMOS 一对上的输入电压，弄清为什么输出能干净地翻转，而停在任一侧时几乎没有电流流过。

扫动输入，抓住输出翻转的瞬间

曲线表示输出电压 Vout 随输入电压 Vin 的变化，即电压传输特性。把输入从 0 移到 Vdd，输出在低输入时贴在上方电源轨，在电源电压一半附近陡然下降，高输入时贴在底部。浅红色的峰是只在翻转过程中短暂流过的直通电流，曲线上标出的两个名称表示该区段导通的晶体管。

输入电压 VinVin = 0.90 V

传输特性上的工作点

Vin = 0.90 V   →   Vout = 0.90 V

输入在中间附近。NMOS 和 PMOS 都处于半导通状态，直通电流从电源短暂流向地，输出也停在难以称为任一逻辑值的中间位置。

过渡中 · 穿通电流

互补一对：上 PMOS，下 NMOS

CMOS 反相器把两种 MOSFET 上下配对。上面的 PMOS 源极接电源 Vdd，下面的 NMOS 源极接地。两个栅极一起接到输入，两个漏极一起接到输出。二者是互补的。NMOS 在栅极为高电平时导通，PMOS 在栅极为低电平时导通，所以对同一个输入总是作出相反的反应。PMOS 中空穴的迁移率比 NMOS 中电子低，所以通常把 PMOS 做得更宽，让两边拉动的力量相当。这样匹配之后，输出翻转的点就落在电源电压的一半附近。

输入 0 出 1，输入 1 出 0

输入为低电平（0）时，NMOS 的栅极电压达不到阈值而关断，PMOS 的栅极比电源低得足够多而导通。导通的 PMOS 把输出牢牢接到电源，输出为高（1）。输入为高电平（1）时正好相反，只有 NMOS 导通，把输出接地，输出为低（0）。无论哪种情况，导通的器件都把输出拉到一条电源轨上，所以输出是输入干净的反相。

静态功耗几乎为 0

CMOS 的关键就在这里。在任何稳定状态下，两个晶体管中恰好有一个完全关断，所以从电源到地没有直通的电流路径。没有静态电流，静止的门电路几乎不耗电。只有在输入变化的短暂瞬间才有电流，这时流过的是两个器件短暂同时导通产生的直通电流，以及给输出端负载电容充放电的电流。所以只在开关时耗电，动态功耗 P ∝ C Vdd² f 与电源电压的平方成正比。这就是电压稍微降低、功耗就大幅下降的原因。静态功耗几乎为 0 这一性质，使一块芯片装进数十亿个门也不会熔化。不过，在尺寸极小的现代晶体管中，关断的一侧也会渗出少量漏电流，这部分漏电已经大到不能忽略。

观察Vin = 0 → Vout = Vdd

输入为 0 时，输出为 Vdd，即逻辑 1。

选择Vin = 0: ? on

输入为 0 时 PMOS 导通，把输出上拉到电源。

填空Istatic ≈ ?

稳定状态下一侧关断，静态电流几乎为 0。

自己来P ∝ C Vdd² ?

只在开关时耗电，功耗与开关频率成正比。

回到第一屏

输入放在一端时，输出干净地贴在另一侧的电源轨上，直通电流的峰几乎为 0。把输入移到中间，输出陡然翻转，峰短暂升起。这一张图包含了 CMOS 的两个性质。互补的一对把输入干净地反相；稳定状态下一侧关断，电源到地的路径被切断，所以静态功耗几乎为 0。电流只在翻转的瞬间流动。这个简单的反相器是所有数字逻辑的砖块，正是几乎为 0 的静态功耗，让掌心大小的芯片能容纳数十亿个门。

CMOS 反相器是把 PMOS（上方，拉向 Vdd）和 NMOS（下方，拉向地）的栅极一起接到输入、漏极一起接到输出的互补一对。输入为 0 时只有 PMOS 导通，输出为 Vdd(=1)；输入为 1 时只有 NMOS 导通，输出为 0（反相）。在任何稳定状态下都有一侧关断，没有 Vdd 到地的直通路径，所以静态功耗几乎为 0。电流只在开关瞬间流动，动态功耗 P ∝ C Vdd² f，即与开关频率成正比。这几乎为 0 的静态功耗，使数十亿个门的数字集成成为可能。

接下来的脉络

用 BJT 和 MOSFET 两种晶体管，放大和逻辑都已经看过了。下一组把这些器件组合成运算放大器，并结合它的实际局限来讨论。第一个单元是相当于运放入口的差分放大级。它只放大两个输入之差，压低同时叠加在两个输入上的噪声，干净的放大就从这里开始。