当前，除了ECL电路因具有超高速性能外，其他各种类型的数字集成电路无不受到CMOS电路的挑战和冲击，一些早期应用较广泛的集成电路，如标准TTL、HTL及PMOS等，已正在被CMOS逐渐取代。因此了解和掌握CMOS电路的原理和应用就越来越重要了。本文重点介绍CMOS电路的主要特性及应用要点，这可为学习及应用好CMOS电路打下很好的基础。
电路结构、传输特性和噪声容限
组成各种CMOS数字电路的基本单元是反相器和模拟开关（传输门）。这就是说，任何一种CMOS电路，不管其复杂程度如何，总是由这两种或其中一种基本单元构成。要想了解CMOS的原理和特性，也需从此入手进行分析。
CMOS反相器的基本结构如图1所示。由图可见，反相器实质上是由两个互补的MOS晶体管，即PMOS（P沟道MOS）管和NMOS（N沟道MOS）管组成的。两管的栅极连在一起作为反相器的输入端；两管的漏极相连作为输出端；PMOS管的源极S和N型衬底为V\(_{DD}\)（电源正）端；NMOS管的源极S和P阱为VSS（电源负）端。如果在反相器的输入端加上输入电压U\(_{i}\)，当Ui为逻辑“0”时，NMOS管截止，PMOS管导通，由于截止管的沟道电阻大于10MΩ，而导通管的沟道电阻仅为数百欧，故反相器的输出电压U\(_{O}\)，即两管沟道电阻对电源的分压结果，使UO近似于V\(_{DD}\)，即UO为逻辑“1”（高电平）。反之，当U\(_{i}\)为“1”时，PMOS管截止，NMOS管导通，UO接近于V\(_{SS}\)，即输出为“0”，这样就完成了逻辑反相的过程。
以上所述是在U\(_{i}\)为“1”或为“0”稳定状态下的反相器工作情况。若Ui是连续变化的脉冲信号时，这可用图2所示的反相器电压的输入输出特性曲线（也称作转移特性曲线）来说明。当Ui由逻辑“0”向“1”跃变时，通常NMOS管和PMOS管将分别经历①～⑤个区域所对应的状态。在①区，U\(_{i}\)从0开始增长，但始终不大于NMOS管的开启电压UTN，故NMOS管截止，PMOS管导通，此时U\(_{O}\)为高电平，且幅度基本保持不变。当Ui继续增大，到了②区范围，U\(_{i}\)达到或超过UTN，于是NMOS管饱和导通，PMOS管的漏极（D）和源极（S）间出现电压降，致使U\(_{O}\)开始下降，但一直为高电平。当Ui进入③区后，PMOS管和NMOS管均饱和，这里是U\(_{O}\)由高到低跳变的动态区，此时Ui有很小的变化就会引起U\(_{O}\)的较大变化。以后的④区、⑤区的情况正好分别与②区、①区相反，可参见图2下部的表格。
CMOS电路的电压传输特性是一个非常重要的特性，它即可反映出电路的一些其他特性，又可从中找到一些重要参数。如直流噪声容限（即保证逻辑功能正常所容许的最大直流噪声电压，是电路抗干扰能力的表征）和逻辑摆幅（输出脉冲信号中1和0电平间的振幅）等。逻辑摆幅是接近于电源电压的，即输出高电平接近于V\(_{DD}\)，输出低电平接近于VSS。图2中，③区所对应的U\(_{i}\)为电源电压的50％左右（即5V点），这就是说，欲使输出UO处在明确的1态或0态，U\(_{i}\)必须小于或大于50％的逻辑摆幅。CMOS电路的直流噪声容限比较大，通常可达电源电压的40％～45％，而TTL电路则为8％～10％，PMOS电路为10％～12％，由此可见，CMOS电路的抗干扰性是优于其他电路的。
功耗特性及电源电压范围
上面谈到：当U\(_{i}\)是稳定的1和0电平时，反相器中的两只MOS管总是一管导通，一管截止的。这样，从VDD到V\(_{SS}\)端的直流电阻就很大，因此基本上无沟道电流通过，即静态功耗近似为零。但实际上由于反相器的输入端中设有二极管保护网络和输出端存在寄生二极管（制作时自然形成），见图3。在电源的作用下，这些处于反向电压下的二极管会有漏电流产生，这样就形成电路的静态电流，因此CMOS电路仍有一定的静态功耗。当器件的集成度较高时，寄生二极管增多，静态功耗也随之增大。但无论哪种CMOS电路，其静态功耗与其它同功能数字电路相比，则要小数百倍至数万倍。因而CMOS电路被称为微功耗器件，微功耗是主要的优良特性之一，它不仅使CMOS电路工作时的温升很低、可靠性提高，而且还有利于供电电源的简化。
除了静态功耗以外，还需要考虑动态功耗。动态功耗的主要因素是芯片内部的寄生电容和外部负载电容引起的，两者可等效为输出端与地之间并联的一个电容C，见图4。当U\(_{i}\)为连续脉冲时，输出UO就会不断在1和0之间跳变。U\(_{O}\)由低变高时，VDD通过PMOS管对C充电，反之电容C经NMOS管放电，充放电流在两管上形成一定功耗，就是动态功耗。显然，输入脉冲的频率越高，器件的开关次数越多，动态功耗越大。CMOS器件的动态功耗一般可用下式计算：即P＝C·V\(^{2}\)\(_{DD}\)·f。
要降低装置或系统的动态功耗，应尽可能选用小容量的负载电容。当然在工作频率允许的情况下，降低V\(_{DD}\)值也可降低动态功耗（但在干扰大的场合，必须考虑引起的噪声容限变小的问题）
由上分析可知，CMOS电路的总功耗应是动态、静态功耗之和。器件在低速领域应用时，其动态功耗很小，相反在中、高速运用时，动态功耗就占主要地位了。通常当f＞100kHz时，其静态功耗几乎可以忽略。
根据CMOS电路微功耗和电源范围宽的特点，可以给出如下供电方法的要点。
1．电源的直流功率容量应大于装置中所有器件的静、动态功耗之和。静态功耗可由产品手册查出，动态功耗按公式计算。
2．CMOS电路对电源的稳定度要求不高，通常可用简易稳压电路或不用稳压电路。对于小型的装置可用电池供电。若装置在工作时不允许断电，可采用图5所示的交直流供电自动转换电路。
3．无论采用何种供电方式，都不能让电源电压超出CMOS电路的极限使用电压值，否则容易损坏器件。国产CC4000B系列电路电源高端的极限值为20V。C000系列的供电有12V、15V和18V三种。高速的74HC系列则为7V。选用时必须给予充分注意。
4．应根据实际情况选取比较合适的电源电压。通常，电压越高，抗干扰性越好，逻辑摆幅越大，但功耗也随之增大。
5．若电源的输出电压纹波分量较大，则应避免出现最高电压峰值超过器件的极限值和最低电压峰值不满足要求的情况。具体来讲，若采用纹波较大的电源，就不宜将电源电压选在器件的极限高值、低值附近，这样做会受到抗干扰和工作速度等方面的制约，否则需采用稳压或抑制纹波措施。
6．为了防止干扰信号通过电源线路串入器件，可在每块印制板的电源“进口”两端（即V\(_{DD}\)和VSS）间加设一个0.033～0.022μF的旁路电容。
输入特性和输入端使用规则
CMOS反相器的输入端设有二极管保护网络。这个网络的作用是保护器件免遭静电干扰或损坏。由于MOS管的栅、源极之间是很薄的二氧化硅层，管子的输入阻抗极高（大于10\(^{9}\)～1012Ω），并有5pF左右的输入电容，因此静电很容易积累，致使二氧化硅层击穿。设置保护网络后，若输入端与V\(_{DD}\)间出现正向感应电压，则D1、D\(_{2}\)导通，将PMOS管栅极与VDD间的电压钳至在1V左右；若出现在输入与V\(_{DD}\)间的是负向感应电压，则D1、D\(_{2}\)可被反向击穿（击穿电压为30～50V），这样就将耐压为100～120V的二氧化硅层两面的电压限制在30～50V以下，从而起到了保护作用。如果输入端与VSS端之间出现感应电压，则D\(_{3}\)可起到保护作用。由于CMOS器件的高输入阻抗特性和输入保护网络的存在，给输入端的使用带来了一些约束，通常的规则是：
1．输入电平U\(_{i}\)不允许高于VDD及低于V\(_{SS}\)，即VSS≤U\(_{i}\)≤VDD。否则D\(_{1}\)、D2或D\(_{3}\)就有可能因正偏而通过大电流烧坏，见图6中的I2及I\(_{1}\)。通常，输入的低电平应在VSS～0.4V\(_{DD}\)之间，输入的高电平应在0.6VDD～V\(_{DD}\)之间。对于CMOS电平转换器来说，其输入端的保护网络如图7所示，由于在输入与VDD之间没有保护二极管，因此它允许U\(_{i}\)的正向摆幅高于器件本身使用的VDD，这是一个例外。
2．在用CMOS器件组成多谐振荡器、单稳态电路及延时电路时，可能出现U\(_{1}\)高于VDD或低于V\(_{SS}\)的情况，此时保护二极管也被正偏。若Ui高于V\(_{DD}\)或低于VSS过多，就会使二极管过流损坏。解决的办法是在输入端串入限流电阻，使电流限制在1mA以内，器件最大允许值是10mA。常用的电路中，通常只要串入大于5～10kΩ的电阻，就能起到很好的限流保护作用。
3．电路系统在工作时，应先接通电源而后加入输入信号，否则也会使保护网络损坏。
4．当器件的输入端需要连接较长的引线时，也应串入5～10kΩ的电阻，以抑制因长线具有较大的分布电容和电感而可能引起的振荡电压，保护输入网络不被过高的振荡电压烧坏。另外，若需在输入端对地接入大电容时，为避免电容放电烧坏保护二极管，也同样要串入5～10kΩ的保护电阻。
5．器件多余不用的输入端不能悬空。这是因为CMOS器件虽有输入保护网络，但保护范围有限，当外界的静电较强时，仍会击穿MOS管栅、源极间的绝缘层。即使没有静电致损的问题，CMOS电路的高输入阻抗也极易感应外界的干扰噪声，使得正常逻辑功能不起作用或功耗增大。一般出现多余输入端的多数是逻辑门电路，这时应按不影响使用端的逻辑功能和保证电路工作稳定的原则来处置。通常，对于与门和与非门，多余端应接V\(_{DD}\)，对于或门和或非门则应接VSS。对于同一门的多余端也可和使用端并联，这样做的缺点是使输入电容变大。
6．根据多余输入端不能悬空的原则还可知道：CMOS器件应储存在金属盒内或用铝泊包好存放。焊接时，电烙铁应可靠接地。测试时，测试仪器的接地端也应可靠接地。操作人员最好不穿化纤类的衣服。若在装置中采用多块插件或印制板，应在每块印制板的输入端与V\(_{DD}\)或VSS端之间接一个100～1000kΩ的电阻，具体方法可参照多余端的接法确定。
输出特性和驱动能力
一般CMOS电路的输出电流特性曲线如图8所示。由图可见，CMOS电路的输出电流与V\(_{DD}\)成正比，同时还与输出级两MOS管的漏～源极电压有关。通用的CC4000B系列电路在3～18V的电源范围内，相应的输出电流为1～10mA，而它们的输入电流最大也只有0.1μA左右。相比之下其驱动能力之强是显而易见的。在低速应用时，可以不考虑CMOS电路的驱动能力问题。但在中、高速系统中，若器件驱动多个输入端，将对速度带来明显影响。不过根据一般情况驱动10～20个门是没有什么问题的，这已能满足绝大多数装置的要求了。
工作速度与负载电容
一般的CMOS电路属于中速器件，单门的平均延时约为50nS，这仅是一个极粗的平均参考值。对于一片实际使用的集成电路来说，其速度要受到负载电容、电源电压和温度等方面的影响，通常以负载电容为主。速度与负载电容的典型关系曲线见图9。很明显，电容越大，充放电时间越长，信号传输的上升、下降及延迟时间也越长，速度当然就慢了。由此可见，在中、高速系统中，尽量减小负载电容是有重要意义的。
温度特性
CMOS的温度特性是非常良好的。它可在-55℃～+125℃的全温范围下工作（塑封器件的温度范围为-40℃～＋80℃。因此对一般装置来讲，不必考虑器件的温度稳定性问题。
目前国内使用的CMOS电路主要有三个系列的产品，即C000、CO4000B和74HC系列。当前应用较多的是CC4000B系列产品，本文主要介绍的就是这类电路。74HC系列是高速CMOS电路，现今国内正在大力发展。(申源)