Các cổng logic là những khối xây dựng cơ bản của tất cả các mạch số và máy tính. Các cổng logic này được thực hiện bằng các transistor gọi là MOSFET. Transistor MOSFET là một công tắc được điều khiển bằng điện áp. MOSFET hoạt động như một công tắc và bật hoặc tắt tùy thuộc vào việc điện áp đặt lên nó ở mức cao hay mức thấp. Có hai loại MOSFET: NMOS và PMOS. NMOS bật khi điện áp ở mức cao và tắt khi điện áp ở mức thấp. Ngược lại, PMOS bật khi điện áp ở mức thấp và tắt khi điện áp tăng lên mức cao. Khi hai loại MOSFET này được sử dụng cùng nhau để thực hiện các cổng logic, chúng được gọi là CMOS (Complementary MOS – MOS bổ sung). Sở dĩ được gọi là “bổ sung” vì NMOS và PMOS hoạt động theo cơ chế bổ sung cho nhau. Khi công tắc NMOS bật thì PMOS tắt, và ngược lại.

Bộ đảo CMOS (CMOS Inverter):

Bộ đảo CMOS được minh họa bên dưới. Mạch gồm một PMOS và một NMOS mắc nối tiếp. VDD biểu diễn điện áp tương ứng với mức logic 1, trong khi mass (GND) biểu diễn mức logic 0. Khi đầu vào ở mức cao hoặc logic 1, NMOS được bật trong khi PMOS tắt. Do đó, đầu ra Y được nối trực tiếp với mass và trở thành mức logic 0. Khi đầu vào ở mức logic 0, điều ngược lại xảy ra – NMOS tắt và PMOS bật. Điều này tạo ra một đường dẫn trực tiếp giữa VDD và đầu ra Y. Vì vậy, Y chuyển lên mức cao. Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ đảo CMOS.

Từ phân tích trên, có thể suy ra rằng để thực hiện bất kỳ hàm Boolean nào bằng công nghệ CMOS, chúng ta cần tạo một mạch chuyển mạch gồm các công tắc PMOS ở khối phía trên, bật khi các đầu vào ở mức thấp, và các công tắc NMOS ở khối phía dưới, bật khi các đầu vào ở mức cao. Hai khối này phải hoạt động theo nguyên tắc bổ sung cho nhau. Khối phía trên chỉ gồm các PMOS được gọi là mạng kéo lên (Pull-Up Network – PUN), vì nó kéo đầu ra lên VDD, tương ứng với mức logic cao. Khối phía dưới gồm các NMOS được gọi là mạng kéo xuống (Pull-Down Network – PDN), vì nó kéo đầu ra xuống mass, tương ứng với mức logic thấp. Bất kỳ hàm Boolean nào cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng PUN và PDN.

Giả sử chúng ta có Y = F(A, B, C, D). Chúng ta cần xây dựng các khối PDN và PUN từ biểu thức Boolean đã cho.

Để xây dựng khối PDN, cần biểu diễn Y' theo các biến không đảo A, B, C và D. Nếu biểu thức của Y' có phép AND, điều đó tương ứng với hai NMOS mắc nối tiếp với mass. Nếu có phép OR, điều đó tương ứng với hai NMOS mắc song song.

Đối với PUN, cần biểu diễn Y theo các biến đảo A', B', C' và D'. Tương tự, nếu biểu thức của Y có phép AND, cần sử dụng hai PMOS mắc nối tiếp; còn phép OR tương ứng với hai PMOS mắc song song.

Cổng AOI và cổng OAI:

Cổng AOI (And-Or-Invert) và OAI (Or-And-Invert) là hai cấu hình cơ bản có thể được thực hiện bằng logic CMOS. Cấu trúc CMOS của hai loại cổng này được minh họa bên dưới. Lưu ý rằng hai cổng này là các cấu trúc đối ngẫu của nhau. PDN của cổng AOI có cấu trúc tương tự như PUN của cổng OAI, trong khi PUN của cổng AOI có cấu trúc tương tự như PDN của cổng OAI.

Cổng NAND và cổng NOR:

Các cổng NAND và NOR có thể được thực hiện dễ dàng bằng logic CMOS như minh họa bên dưới.

Các cổng AND và OR thường được thực hiện bằng cách sử dụng một cổng NAND mắc nối tiếp với một cổng NOT, hoặc một cổng NOR mắc nối tiếp với một cổng NOT.