1.5 CMOSインバータの構造と動作
1.5 Structure and Operation of CMOS Inverter
🎯 本節のねらい｜Objective
本節では、nMOS と pMOS を組み合わせた基本構成である CMOSインバータについて、
構造・動作原理・電圧制御・電力特性を中心に学びます。
This section explains the basic CMOS inverter, constructed from an nMOS and pMOS pair, focusing on its structure, operation principle, voltage control, and power characteristics.
🔹 CMOSインバータの構造｜CMOS Inverter Structure
- pMOS：ソース端子が VDD に接続（Pull-up）
- nMOS：ソース端子が GND に接続（Pull-down）
- ゲート：IN（共通入力）
- ドレイン：OUT（共通出力）
📘 図1.5-1：CMOSインバータの構造図と回路記号
Figure 1.5-1: Structure and Symbol of CMOS Inverter
🔹 電圧伝達特性（VTC）｜Voltage Transfer Characteristic
CMOSインバータの入出力関係を電圧で表すと、次のような S字カーブになります。
しきい値電圧 $V_M$ を境に、出力が急激に反転します。
📈 図1.5-2：CMOSインバータの電圧伝達特性（VTC）
Figure 1.5-2: CMOS Inverter Voltage Transfer Characteristic
🔹 入出力波形とスイッチング遅延｜Input-Output Waveform with Delay
実際の動作では、負荷容量による 遅延 が発生します。
入力が矩形波で変化しても、出力は遅れて反転します。
📈 図1.5-3：CMOSインバータの入出力波形（遅延付き）
Figure 1.5-3: CMOS Inverter Input/Output Waveform with Delay
🔹 消費電力とCMOSの利点｜Power Consumption and Advantages
CMOSインバータは、以下の点で優れています：
- 静的電流なし：IN が一定であれば、pMOS または nMOS のどちらかが OFF
- スイッチング時のみ電流が流れる（動的電力）
💡 これにより、CMOSは以下のような特性を持つ：
- 低消費電力（Low Power）
- 高集積（High Density）
- 高信頼性（High Reliability）
動的消費電力は次式で表されます：
$P = \alpha \, C_L \, V_{DD}^2 \, f$
- $\alpha$: スイッチング確率
- $C_L$: 負荷容量
- $V_{DD}$: 電源電圧
- $f$: 動作周波数
✅ まとめ｜Summary
| 項目 | 内容（日本語） | 内容（英語） |
|---|---|---|
| 基本構成 | pMOS + nMOS | pMOS + nMOS pair |
| 出力論理 | 入力の論理反転 | Logical inversion of input |
| 電力特性 | 静的電流ゼロ、動的電力小 | Zero static current, low dynamic power |
| 意義 | CMOSは標準的論理回路構成素子 | CMOS is the standard logic gate building block |
📎 次章への接続｜Next Chapter
次章では、このCMOSインバータの応用として、AND, OR, NAND, NOR, XORなどの基本論理回路の構成方法を学びます。
📂 chapter2_comb_logic/：組み合わせ回路の設計と構成