CMOS反相器是一種核心數字邏輯電路，其工作原理基於P型金屬-氧化物-半導體（PMOS）和N型金屬-氧化物-半導體（NMOS）電晶體的互補特性。CMOS反相器由一個PMOS電晶體和一個並聯的NMOS電晶體組成。CMOS反相器實現輸入與輸出信號之間的邏輯反轉，即當輸入信號為高電平時，輸出信號為低電平；當輸入信號為低電平時，輸出信號為高電平。
在詳細分析CMOS反相器的工作原理之前，需要理解幾個關鍵概念。首先，CMOS電路的特點是極低的靜態功耗，這是因為在其穩態工作時，幾乎總是有一個MOS管處於關斷狀態，因此流過的電流非常小。其次，CMOS反相器具有較高的噪聲容限，這意味著它對電源噪聲和干擾有較強的抵抗能力。
具體到反相器的工作原理，當輸入信號為高電平（例如VDD）時，NMOS電晶體導通，PMOS電晶體截斷，輸出信號為低電平（接近0V）；當輸入信號為低電平（例如0V）時，PMOS電晶體導通，NMOS電晶體截斷，輸出信號為高電平（接近VDD）。通過這種方式，CMOS反相器可以實現輸入與輸出信號之間的邏輯反轉。
此外，CMOS反相器的電路結構還包括輸入保護措施，以防止過電壓對電路造成損害。這些保護措施通常包括二極體和其它電路元件。CMOS反相器的輸出特性表現為低電平輸出時，輸出電壓隨輸出電流的增加而降低，而高電平輸出時則相反。
綜上所述，CMOS反相器利用PMOS和NMOS電晶體的互補特性，通過控制這兩個電晶體的開關狀態來實現邏輯反轉。這種設計不僅實現了低功耗和高噪聲容限，而且構成了數字積體電路設計的基礎。