mosfet有p溝道和n溝道兩種，每種中又可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類(lèi)。由n溝道和p溝道m(xù)osfet組成的電路稱(chēng)為互補(bǔ)mos或cmos電路。
圖1(a)表示cmos反相器電路，由兩種增強(qiáng)型mosfet組成，其中一個(gè)為n溝道，另一個(gè)為p溝道。圖1(b)為其簡(jiǎn)化畫(huà)法。為了電路能正常工作，要求電源電壓vdd＞(vtn+|vtp|)
1.工作原理
首先考慮兩種極限情況：當(dāng)v1輸入邏輯0時(shí)，相應(yīng)的電壓近似為0v；而當(dāng)v1輸入邏輯1時(shí)，相應(yīng)的電壓近似為vdd。假設(shè)n溝道管tn為工作管，p溝道管tp為負(fù)載管。由于電路是互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的，這種假設(shè)可以是任意的，其結(jié)果相同 。
圖2分析了當(dāng)v1＝vdd時(shí)的工作情況。參看圖2(b)。在tn的輸出特性id-vds曲線(xiàn)簇中選擇vgsn=vdd，并疊加一條負(fù)載線(xiàn)，它是負(fù)載管tp在vsgp=0v時(shí)的輸出特性id-vsd。由于vsgp＜vt(vtn=|vtp|=vt)，負(fù)載曲線(xiàn)幾乎是一條與橫軸重合的水平線(xiàn)。兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)即工作點(diǎn)。顯然，這時(shí)的vdsn=0v，由于電路的輸出vo=vdsn，故vol＝0v(典型值＜10mv)，而通過(guò)兩管的電流接近于零。這就是說(shuō)，電路的功耗很小（微瓦數(shù)量級(jí)）。
(a)電路
(b)簡(jiǎn)化電路
圖1 cmos反相器
(a)電路
(b)圖解
圖2 cmos反相器在輸入為高電平時(shí)的圖解分析
圖3分析了另一種極限情況，此時(shí)對(duì)應(yīng)于vi＝0v，其工作狀態(tài)示于圖3(b)中。此時(shí)工作管tn在vgsn＝0的情況下運(yùn)用，其輸出特性id-vds幾乎與橫軸重合，負(fù)載曲線(xiàn)是負(fù)載管tp在vgsp=vdd時(shí)的輸出特性id-vds。由圖可知，工作點(diǎn)決定了voh≈vdd；通過(guò)兩器件的電流接近于零值?？梢?jiàn)上述兩種極限情況下的功耗都很低。
(a)電路
(b)圖解
圖3 cmos反相器在輸入為低電平時(shí)的圖解分析
由此可知，基本cmos反相器近似于理想的邏輯單元，其輸出電壓接近于零或＋vdd，而功耗幾乎為零。
2.傳輸特性
coms反相器的傳輸特性可仿照前述圖解步驟來(lái)求得，改變v1的值，可得出相應(yīng)的v0值。圖4表示cmos反相器的典型傳輸特性。圖中vdd＝10v，vtn=|vtp|=vt=2v。由于vdd＞(vtn+|vtp|)，因此，當(dāng)vdd-|vtp|>vi＞vtn時(shí)，tn和tp兩管同時(shí)導(dǎo)通?？紤]到電路是互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)的，一器件可將另一器件視為它的漏極負(fù)載。還應(yīng)注意到，器件在放大區(qū)（飽和區(qū)），呈現(xiàn)恒流特性，兩器件之一可當(dāng)做高阻值的負(fù)載。因此，在過(guò)渡區(qū)域，傳輸特性變化比較急劇。兩管在idd/2處轉(zhuǎn)換狀態(tài)。
圖4 cmos反相器的傳輸特性
3.工作速度
cmos反相器在電容負(fù)載情況下，它的開(kāi)通時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間是相等的，這是因?yàn)殡娐肪哂谢パa(bǔ)對(duì)稱(chēng)的性質(zhì)。圖5表示當(dāng)vi＝0v時(shí)，tn截止，tp導(dǎo)通，由vdd通過(guò)tp向負(fù)載電容cl充電的情況。由于cmos反相器中，兩管gm值均設(shè)計(jì)得較大，其導(dǎo)通電阻較小，充電回路的時(shí)間常數(shù)較小。電容cl的放電過(guò)程類(lèi)似。cmos反相器的平均傳輸延遲時(shí)間約為10ns。
(a)電路
(b)負(fù)載電容充電
圖5 cmos反相器在電容負(fù)載下的工作情況