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1.5 CMOSインバータの構造と動作

本節では、nMOSとpMOSを組み合わせて構成されるCMOSインバータの動作原理を学びます。
MOSトランジスタが論理スイッチとしてどのように使われるかを、構造・電圧条件・電流経路の観点から理解し、「0→1」「1→0」の論理反転がどのように実現されているかを整理します。

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🔹 CMOSインバータの構造

CMOSインバータは、以下の構成を持ちます：

• pMOS：ソースが VDD に接続
• nMOS：ソースが GND に接続
• ゲート：共通で入力（IN）
• ドレイン：共通で出力（OUT）

図1.5-1：CMOSインバータの構造図と記号図
![図1.5-1 CMOSインバータ構造](../images/cmos_inverter_structure.png)

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🔹 動作の基本（入力と出力の関係）

入力（IN）	pMOS	nMOS	出力（OUT）	状態
High（”1”）	OFF	ON	GND（”0”）	論理反転
Low（”0”）	ON	OFF	VDD（”1”）	論理反転

図1.5-2：入力変化に対する出力応答
![図1.5-2 CMOSインバータの論理動作](../images/cmos_inverter_logic.png)

• 入力が”0”のとき：pMOSがON → 出力はVDD（”1”）
• 入力が”1”のとき：nMOSがON → 出力はGND（”0”）

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🔹 動作波形と遅延

• CMOSインバータは高速で遷移が可能
• 遷移時にはコンデンサ（負荷容量）の充放電により立ち上がり／立ち下がり遅延が発生

図1.5-3：入力・出力の波形例（遅延を含む）
![図1.5-3 CMOSインバータの遅延波形](../images/cmos_inverter_waveform.png)

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🔹 消費電力とCMOSの優位性

• 静的電流なし（入力が安定していれば、pMOS/nMOSいずれかがOFF）
• スイッチング時のみ電流が流れる
• これにより、CMOSは低消費電力・高集積回路の基本構成要素として広く使われている

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✅ まとめ

• CMOSインバータは、pMOSとnMOSの組み合わせによる「論理反転」素子
• 出力は常にVDDかGNDに強く引かれ、高いノイズマージンと駆動力を持つ
• 本節により、MOSを用いた論理回路構築の第一歩が完了
• 次章では、これを拡張してAND/NAND/NOR等の論理ゲートや組み合わせ回路へと発展

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📎 次章：第2章 組み合わせ回路の設計と構成（chapter2_comb_logic/）