D5 · MOSFET

CMOS 反相器：翻转，却几乎不耗电

MOSFET 改变世界的舞台是数字。亲手在 NMOS-PMOS 一对上扫动输入电压，看输出干净翻转、而稳定态几乎不流电流的缘由。

扫动输入，看输出翻转

曲线是输出电压 Vout 对输入电压 Vin，即传输特性。把输入从 0 扫到 Vdd。输出在低输入处高高贴着，在中间陡然下落。浅色凸起是仅在过渡途中短暂流过的穿通电流。

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

输入接近中间。NMOS 与 PMOS 都半开，Vdd 到地短暂流过穿通电流。输出也居中，不是任何逻辑值。

过渡中 · 穿通电流

互补一对：上 PMOS，下 NMOS

CMOS 反相器把两种 MOSFET 上下成对。上面 PMOS 源接电源 Vdd，下面 NMOS 源接地。两栅同接输入，两漏同接输出。二者互补：NMOS 在栅高时导通，PMOS 在栅低时导通。所以即便接受同一输入，二者总是相反响应。

输入 0 出 1，输入 1 出 0

输入低时（0），NMOS 因栅低于阈值而关，PMOS 因栅远低于 Vdd 而开。导通的 PMOS 把输出牢牢接到 Vdd，输出为高（1）。输入高时（1）正相反，只有 NMOS 导通、把输出接地，输出为低（0）。无论哪种，导通的一方把输出强力拉向一条电源轨。所以输出是输入的干净反相。

静态功耗几乎为零

这里有 CMOS 的魔法。在任何稳定态，两只晶体管中恰好一只完全关断。所以根本没有从 Vdd 直通到地的电流路径。没有静态电流，闲置的门几乎不耗电。电流只在输入翻转的短暂过渡瞬间流过：两器件一瞬同开的穿通电流，与给负载充放电的电流。所以动态功耗 P ∝ C Vdd² f 只在开关时产生。静态功耗几乎为零这一性质，正是数字集成的基石，使一颗芯片容纳数十亿门而不熔毁。

观察Vin = 0 → Vout = Vdd

输入 0 出 Vdd，即逻辑 1。

选择Vin = 0: ? on

输入 0 时 PMOS 导通，把输出拉向 Vdd。

填空Istatic ≈ ?

稳定态一方关断，静态电流几乎为零。

自己来P ∝ C Vdd² ?

功耗只在开关时产生，正比于频率。

回到第一屏

把输入放在一端，输出干净地贴住对面的轨，穿通电流的凸起几乎为零。把输入移到中间，输出陡然翻转，那凸起短暂升起。那形状展示了 CMOS 的两副面孔：互补一对把输入干净反相，而稳定态一方关断、切断 Vdd 到地的路、静态功耗几乎为零。电流只在翻转的瞬间流过。这个简单的反相器是一切数字逻辑的砖块，其几乎为零的静态功耗，使你手中的芯片能容纳数十亿门。

CMOS 反相器是把 PMOS（上，拉向 Vdd）与 NMOS（下，拉向地）的栅接输入、漏接输出的互补一对。输入 0 时只有 PMOS 导通、输出为 Vdd（=1）；输入 1 时只有 NMOS 导通、输出为 0（反相）。任何稳定态一方关断、无 Vdd 到地的通路，故静态功耗几乎为零。电流只在开关时流过，动态功耗 P ∝ C Vdd² f。这几乎为零的静态功耗，使数十亿门的数字集成成为可能。

接下来的脉络

用 BJT 与 MOSFET 两种晶体管，你已看到放大与逻辑。下一组处理由这些器件构成的运算放大器，连同其实际极限。第一单元是运放之口——差动放大级。它只挑两输入之差放大、同抑共模噪声，造出干净放大的起点。