随着集成电路产业的高速发展,晶体管的特征尺寸不断缩小。如今晶体管尺寸已经进入了深亚微米时代,进一步缩小硅基CMOS器件也面临着更多挑战。而为了进一步缩小集成电路的体积并增强性能,微电子产业将目光投向了集成度更高,性能更好的纳米器件。在众多纳米器件当中,量子元胞自动机(Quantum-Dot Cellular Automata,QCA)作为最有希望替代传统CMOS的技术之一。以往的研究者大多仅使用三输入Majority门和反相器作为基本门电路单元来设计QCA电路。而若在设计中应用五输入Majority门,会使得电路性能进一步提高,因此五输入Majority门的设计和应用引起了研究者的广泛兴趣。本文基于QCA电路,以设计性能优良五输入Majority门为研究目标,根据以往QCA电路的设计经验,设计了一种由三个电路层构成的五输入Majority门电路。利用五输入Majority门,设计了多个基本电路单元。论文主要分为以下几部分:1、研究了QCA器件的结构、原理和模型,对QCA电路的基本门电路的几种电路结构进行了比较分析,提出了一种三层电路实现五输入Majority门的设计,并将其应用于SR锁存器中。2、在对MI(Majority-Inverter)逻辑研究的基础上,利用所设计的五输入Majority门设计了全加器,并将其用于最高为64位的加法器中。研究基于FIR滤波网络的进位延迟乘法器,并将所设计的全加器应用于乘法器的设计中。与已发表的电路设计比较表明,其版图使用面积和元胞数有明显的减少,加法器元胞数和面积改进最高可达43%和87.2%,乘法器元胞数和面积改进最高可达48.2%和100%。3、对现有的比较器进行性能分析,将五输入Majority门应用于QCA数值比较器电路中,所设计的延时有了明显减少。将比较器电路最高拓展至8位,仿真结果显示其电路功能正确,延时低于现有的比较器设计,且所设计的比较器电路延时不会随着位数的增加呈线性增长。