為啥CMOS反相器要優(yōu)于NMOS反相器呢？

反相器，是數(shù)字電路中的基本器件。

上圖是理想的反相器。

當(dāng)Vin=0時，Vout=VDD;

當(dāng)Vin=VDD時，Vout=0；

Vout在VDD和0之間跳變。

但實際中，不可能實現(xiàn)跳變，即Vin在V1附件一個非常微小的變化，使得Vout從VDD變?yōu)?，則表示電路的電壓增益在此時是無限大的；但實際上，電路增益一直是個有限的值，所以實際電路中，Vout只會從VDD漸變至低，至于低電平是多少電壓，則取決于設(shè)計。

可以看到，輸出的低電壓與W/L和RD相關(guān)，因為分母中的式子不可能為無窮大，所以輸出的低電平只能接近于0，但是到不了0。

雖然用共源電路可以實現(xiàn)反相器的基本性能，但是它確不常用，為什么呢？

因為它具有三個致命的缺陷:

(1) RD的值，必須遠大于晶體管所呈現(xiàn)出來的電阻Ron. 因為當(dāng)想要輸出低電平時，Vout=Ron*VDD/(RD+Ron)，所以為了使得低電平足夠低，則要求RD>>Ron

(2) 因為RD的存在，使得反相器的速度和功耗不能兼得。如下圖，可以看到，當(dāng)想提高速度時，則需要降低RD,但是此時功耗又上升。

(3) 如果反相器輸出為低電平時，反相器的功耗為 VDD*VDD/RD

這三點中，最要命的是第三點。

在大型數(shù)字電路中，有一個靜態(tài)功耗，就是指電路不動作時的功耗，而NMOS反相器(共源電路實現(xiàn)的反相器)的靜態(tài)功耗為VDD*VDD/RD。

比如說，一個大型數(shù)字芯片，有1百萬個門電路，其中有一般是處于低電平輸出狀態(tài)，假設(shè)VDD=1.8V，RD=10kohm,則靜態(tài)功耗高達 162W，這個顯然不能接受。

而這三點缺點，則主要是與上拉電阻RD有關(guān)。

所以，如果能找到這樣一個器件，當(dāng)M1關(guān)斷時，該器件將輸出與VDD相連，最好該器件的電阻很低；而當(dāng)M1打開時，該器件關(guān)斷，這樣就沒有電流從VDD流向地。即如下圖所示。

那什么器件能擔(dān)當(dāng)此重任呢?

那就是PMOS。

把PMOS和CMOS合體，形成的反相器，稱之為CMOS反相器。

CMOS反相器的輸出低電平基本為0，因為當(dāng)Vin=VDD時，M2關(guān)斷。而NMOS的低電平永遠都不可能為0。

CMOS在高電平輸出和低電平輸出的狀態(tài)下，靜態(tài)功耗都為0,；而NMOS在低電平輸出狀態(tài)下，有靜態(tài)功耗。