CMOS 反相器

CMOS 反相器是整個數位電子學中最重要的單一電路，而它美在簡單：只是兩顆互補的 MOSFET 串接在一起。CMOS 代表互補式金氧半（complementary metal-oxide-semiconductor）。一顆 P 通道電晶體把輸出往上接到電源（上拉），一顆 N 通道電晶體把輸出往下接到接地（下拉）。它們的閘極綁在一起當作輸入。它接收一個邏輯準位、產生它的相反：一變成零，零變成一。

看它運作。當輸入為低（0 V）時，P 通道導通、N 通道關閉，於是輸出被上拉到電源：邏輯高。當輸入為高時，N 通道導通、P 通道關閉，於是輸出被下拉到接地：邏輯低。關鍵的美妙之處在於，在任一穩定狀態下總有一顆電晶體是關的，所以幾乎沒有電流從電源流到接地。一道 CMOS 閘在只是保持一個值時，幾乎不耗任何功率。

那份接近零的靜態功率，正是 CMOS 勝出的原因，也是為何數十億顆這樣的反相器（以及由同樣上拉／下拉構想造出的閘）能塞進一顆晶片而不把它熔掉。誠實的提醒是：功率並非真的為零：在輸入跨越中間的那短短一瞬間，兩顆電晶體都部分導通、流過一股電流脈衝，而對下游的線路與閘極充電也要花能量。所以 CMOS 的動態功率隨切換頻率上升，大致如電容乘以電壓平方乘以頻率。這顆反相器，就是從類比 MOSFET 通往整個數位世界的橋樑。