逆变器确实是所有数字设计的核心。一旦清楚地了解了它的操作和特性，就可以大大简化设计诸如NAND门，加法器，乘法器和微处理器之类的复杂结构。通过推算逆变器获得的结果，几乎可以完全得出这些复杂电路的电气性能。

反相器的分析可以扩展为解释更复杂的门(例如NAND，NOR或XOR)的行为，这些门又构成了乘法器和处理器等模块的构建块。在本章中，我们着重介绍反相器门的一个单一形式，即静态CMOS反相器-简称为CMOS反相器。这无疑是当前最受欢迎的，因此值得我们特别注意。

工作原理

理想逆变器的逻辑符号和真值表如下图所示。这里，A是输入，B是由其节点电压表示的反相输出。使用正逻辑，逻辑1的布尔值由V _dd表示，逻辑0由0表示。V _th是逆变器阈值电压，它是V _dd / 2，其中V _dd是输出电压。

当输入小于V _th时，输出从0切换到V _dd 。因此，对于0 in th，输出等于逻辑0输入，而V _th in dd等于逆变器的逻辑1输入。

图中显示的特性是理想的。下图显示了nMOS反相器的通用电路结构。

从给定的图中，我们可以看到反相器的输入电压等于nMOS晶体管的栅极至源极电压，反相器的输出电压等于nMOS晶体管的漏极至源极电压。 nMOS的源极到衬底电压也称为接地晶体管的驱动器。因此，V _SS =0。输出节点与用于VTC的集总电容相连。

电阻式负载逆变器

电阻负载逆变器的基本结构如下图所示。在此，增强型nMOS用作驱动晶体管。负载包括一个简单的线性电阻R _L。电路的电源为V _DD ，漏极电流I _D等于负载电流I _R。

电路操作

当驱动器晶体管的输入小于阈值电压V _TH (V _in TH )时，驱动器晶体管处于截止区域且不传导任何电流。因此，负载电阻两端的压降为零，输出电压等于V _DD 。现在，当输入电压进一步增加时，驱动器晶体管将开始传导非零电流，并且nMOS进入饱和区域。

数学上

$$ I_ {D} = \ frac {K_ {n}} {2} \ left [V_ {GS} -V_ {TO} \ right] ^ {2} $$

进一步增加输入电压，驱动晶体管将进入线性区域，并且驱动晶体管的输出减小。

$$ I_ {D} = \ frac {K_ {n}} {2} 2 \ left [V_ {GS} -V_ {TO} \ right] V_ {DS} -V_ {DS} ^ {2} $$

电阻负载逆变器的VTC如下所示，它指示驱动器晶体管的工作模式和电压点。

带有N型MOSFET负载的逆变器

使用MOSFET作为负载设备的主要优点是晶体管所占的硅面积小于电阻负载所占的面积。此处，MOSFET是有功负载，有功负载的逆变器比有阻负载的逆变器具有更好的性能。

增强负载NMOS

图中显示了两个带有增强型负载设备的逆变器。负载晶体管可以在饱和区域或线性区域中操作，具体取决于施加到其栅极端子的偏置电压。饱和增强负载逆变器如图所示。 (一种)。它需要单电源供电和简单的制造工艺，因此V _OH被限制为V _DD -V _T。

线性增强型负载逆变器如图所示。 (b)。它始终在线性区域内运行；所以V _OH等于V _DD 。

与饱和增强型逆变器相比，线性负载逆变器具有更高的噪声容限。但是，线性增强型逆变器的缺点是，它需要两个单独的电源，并且两个电路都具有高功耗。因此，增强型逆变器未在任何大规模数字应用中使用。

耗尽负载NMOS

通过使用耗尽型负载逆变器可以克服增强型负载逆变器的缺点。与增强型负载逆变器相比，耗尽型负载逆变器需要更多的制造步骤来进行沟道注入，以调节负载的阈值电压。

耗尽型负载逆变器的优点是-清晰的VTC过渡，更好的噪声容限，单电源和更小的整体布局面积。

如图所示，负载的栅极和源极端子相连；因此，V _GS =0。因此，负载的阈值电压为负。因此，

$$ V_ {GS，load}> V_ {T，load} $$

因此，负载设备始终具有传导通道，而与输入和输出电压电平无关。

当负载晶体管处于饱和区域时，负载电流为

$$ I_ {D，load} = \ frac {K_ {n，load}} {2} \ left [-V_ {T，load} \ left(V_ {out} \ right)\ right] ^ {2} $ $

当负载晶体管处于线性区域时，负载电流为

$$ I_ {D，load} = \ frac {K_ {n，load}} {2} \ left [2 \ left | V_ {T，load} \ left(V_ {out} \ right)\ right |。\ left(V_ {DD} -V_ {out} \ right)-\ left(V_ {DD} -V_ {out} \ right )^ {2} \ right] $$

耗尽型负载逆变器的电压传输特性如下图所示-

CMOS反相器–电路，操作和说明

CMOS反相器电路如图所示。在这里，nMOS和pMOS晶体管用作驱动晶体管。当一个晶体管导通时，另一晶体管截止。

此配置称为互补MOS(CMOS) 。输入连接到两个晶体管的栅极端子，因此可以直接用输入电压驱动。 nMOS的衬底接地，而pMOS的衬底连接到电源V _DD 。

因此，对于两个晶体管，V _SB = 0。

$$ V_ {GS，n} = V_ {in} $$

$$ V_ {DS，n} = V_ {out} $$

和，

$$ V_ {GS，p} = V_ {in} -V_ {DD} $$

$$ V_ {DS，p} = V_ {out} -V_ {DD} $$

当nMOS的输入小于阈值电压(V _in TO，n )时，nMOS截止-pMOS处于线性区域。因此，两个晶体管的漏极电流均为零。

$$ I_ {D，n} = I_ {D，p} = 0 $$

因此，输出电压V _OH等于电源电压。

$$ V_ {out} = V_ {OH} = V_ {DD} $$

当输入电压大于V _DD ＆plus;时。 V _TO，p ，pMOS晶体管处于截止区域，nMOS处于线性区域，因此两个晶体管的漏极电流均为零。

$$ I_ {D，n} = I_ {D，p} = 0 $$

因此，输出电压V _OL等于零。

$$ V_ {out} = V_ {OL} = 0 $$

如果V _in > V _TO且满足以下条件，则nMOS在饱和区域工作。

$$ V_ {DS，n} \ geq V_ {GS，n} -V_ {TO，n} $$

$$ V_ {out} \ geq V_ {in} -V_ {TO，n} $$

如果V _in DD ＆plus; p≤，则pMOS在饱和区工作。 V _TO，p ，如果满足以下条件。

$$ V_ {DS，p} \ leq V_ {GS，p} -V_ {TO，p} $$

$$ V_ {out} \ leq V_ {in} -V_ {TO，p} $$

对于不同的输入电压值，下面列出了两个晶体管的工作区域。

CMOS的VTC如下图所示：