为啥CMOS反相器要优于NMOS反相器呢？

为啥又看反相器呢，因为想做PLL，锁相环里有PD，PD里面有锁存器，锁存器里有NAND，而NAND里又是基于反相器。所以喽。

反相器，是数字电路中的基本器件。

上图是理想的反相器。

当Vin=0时，Vout=VDD;

当Vin=VDD时，Vout=0;

Vout在VDD和0之间跳变。

但实际中，不可能实现跳变，即Vin在V1附件一个非常微小的变化，使得Vout从VDD变为0，则表示电路的电压增益在此时是无限大的;但实际上，电路增益一直是个有限的值，所以实际电路中，Vout只会从VDD渐变至低，至于低电平是多少电压，则取决于设计。

可以看到，输出的低电压与W/L和RD相关，因为分母中的式子不可能为无穷大，所以输出的低电平只能接近于0，但是到不了0。

虽然用共源电路可以实现反相器的基本性能，但是它确不常用，为什么呢?

因为它具有三个致命的缺陷:

(1) RD的值，必须远大于晶体管所呈现出来的电阻Ron. 因为当想要输出低电平时，Vout=Ron*VDD/(RD+Ron)，所以为了使得低电平足够低，则要求RD>>Ron

(2) 因为RD的存在，使得反相器的速度和功耗不能兼得。如下图，可以看到，当想提高速度时，则需要降低RD,但是此时功耗又上升。

(3) 如果反相器输出为低电平时，反相器的功耗为 VDD*VDD/RD

这三点中，最要命的是第三点。

在大型数字电路中，有一个静态功耗，就是指电路不动作时的功耗，而NMOS反相器(共源电路实现的反相器)的静态功耗为VDD*VDD/RD。

比如说，一个大型数字芯片，有1百万个门电路，其中有一般是处于低电平输出状态，假设VDD=1.8V，RD=10kohm,则静态功耗高达 162W，这个显然不能接受。

而这三点缺点，则主要是与上拉电阻RD有关。

所以，如果能找到这样一个器件，当M1关断时，该器件将输出与VDD相连，最好该器件的电阻很低;而当M1打开时，该器件关断，这样就没有电流从VDD流向地。即如下图所示。

那什么器件能担当此重任呢?

那就是PMOS。

把PMOS和CMOS合体，形成的反相器，称之为CMOS反相器。

CMOS反相器的输出低电平基本为0，因为当Vin=VDD时，M2关断。而NMOS的低电平永远都不可能为0。

CMOS在高电平输出和低电平输出的状态下，静态功耗都为0,;而NMOS在低电平输出状态下，有静态功耗。

审核编辑：汤梓红