数电基础：MOS管构成的开关与CMOS反相器

本文摘要：文章首先指出二极管的局限性（无法构造非门且电流电压受限），进而引入三极管和MOS管的优势（灵活控制电流、承载能力强）。重点分析了MOS管的结构原理，特别是NMOS/PMOS的互补特性，详细阐述了CMOS反相器的工作原理（实现非逻辑）及其精妙的结构设计（VDD接PMOS、GND接NMOS的必要性）。最后讨论了CMOS反相器的模拟特性，包括电压/电流传输特性、噪声容限设计（提高稳定性）以及

the sun34

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the sun34 · 2025-10-20 18:05:54 发布

（4）CMOS反相器考虑极间电容后的延时与功耗

前面我们说了二极管可以构造简单的与门、或门，但是由于其只有单向导电性无法构造非门。同时由于二极管的正向电流、反向电压限制都不允许过大，否则会烧毁，所以二极管是无法用在工程中的，仅能作为原理性的理解。

于是我们想到除了二极管，我们还有三极管和场效应管，他们天然具备更加灵活的电流控制（二极管无法反向，而MOS管却能实现非逻辑），且在电流电压方面的承载能力更能适配工程中的需求。比如MOS管他依靠电容效应控制沟道的宽度从而控制开断，同时他的输入电阻是极大的，导通时候的电阻很小，带负载能力也会更强。

一、MOS管的结构及原理

同时我们可以发现对于NMOS和PMOS他们的阈值电压是相反的，NMOS是需要高压开启，PMOS则需要低压开启。也就是说在施加同样的高或低电平时候，只能有一个被导通，另外一个呈现高阻态而截止。我们后续会利用到这一点。

二、基本MOS管开关电路与CMOS反相器

他已经解决了定制电阻RD在输出0时候不可避免的功耗+输出1时候带载能力弱的问题，互补的想法堪称经典。

同时我们发现这样一个CMOS反相器实现的是非逻辑的开关。即输入0，输出1；输入1，输出0。

最后还需要记清楚这个反相器的结构是VDD端接PMOS、GND端接NMOS。如果反过来让VDD接NMOS、GND接PMOS，则电路无法正常工作，因为数字电路中输入的高电平低电平是有限制的，比如高电平不可能比VDD大，所以就导致你无法在上端输入一个比VDD大的电压。而原本电路的设计则巧妙规避了这点，让NMOS接地初始就是低电平，PMOS接VDD初始就是高电平，从而可以由输入端来控制开断状态。

三、CMOS反相器的模拟特性分析

（1）电压传输特性

这里我补充一下可变电阻区的公式：

由于NMOS和PMOS的电阻阻值会快速变化，所以分压比也会急剧变化，在图像中体现的就是输出电压的斜率大。在刚刚达到阈值电压时候虽然电阻变化率最大，但是二者一个最大一个很小，叠加起来不算大，而在中点情况下二者变化率都较大，叠加后最大。导致了Uo在中点的斜率也最大。其中转折区的宽度是VDD-2Ugs（th）。