在过去的半个多世纪里,集成电路技术遵循着Moore定律取得了惊人的进展,而缩小器件特征尺寸是提高芯片集成度和性能的主要途径。但随着特征尺寸的不断缩小,以CMOS技术为主导的集成电路发展遇到了前所未有的挑战,特别是低功耗设计及互连线问题。当器件的特征尺寸进入纳米级,量子效应将逐渐占据主导地位并可能使器件失效,从而使特征尺寸的缩小达到其物理极限。有鉴于此,近年来一方面科研人员从理论上、材料上和工艺上加以修正,以延续Moore定律引领的CMOS技术的生命；另一方面提出了各种可能的替代MOS器件的新型纳米电子器件,以发展新一代集成电路技术。其中的量子细胞自动机(Quantum-Dot Cellular Automata, QCA),因其提供了一种全新的信息存储和计算方式,由其组成的数字逻辑电路与CMOS相比具有功耗更低、集成度更高和速度更快等固有特点,被认为是新一代的纳电子器件强有力的竞争者。在介绍QCA原理及QCA数字逻辑电路设计和仿真方法的基础上,本文聚焦于QCA通用逻辑门、通用阂值逻辑门、双边沿触发器以及三值QCA逻辑电路的设计和仿真。具体工作和创新之处如下：1、QCA通用逻辑门和通用阈值逻辑门的设计和应用。提出了基于模块化技术的QCA通用逻辑门ULG.2,并应用该ULG.2设计了全加/全减器、全比较器和4选1数据选择器。与已有的QCA通用逻辑门及其应用电路相比,在细胞数、QCA信号线交叉数等方面电路的性能均有较大的改善。随后提出了QCA通用逻辑门ULG3和三变量通用阈值逻辑门UTLG,并分别提出了基于QCA通用逻辑门ULG.3和三变量通用阂值逻辑门UTLG的任意三变量逻辑函数的查表综合。利用所提出的ULG3和UTLG可实现3变量全部256个逻辑函数。所设计的电路经QCADesigner软件仿真,验证了其逻辑功能的正确性。2、QCA双边沿触发器的设计。触发器是数字系统的关键部件,但相对QCA门电路及组合逻辑电路的研究而言,QCA触发器及时序逻辑电路的研究还很不充分,尤其是高性能的触发器及其应用电路。本文提出了两种基于QCA的新型高性能触发器——双边沿D触发器和双边沿JK触发器。通过QCADesigner仿真,结果表明所设计的两种双边沿触发器均具有正确的逻辑功能。若保持原有的时钟频率不变,所提出的双边沿触发器比相应的QCA单边沿触发器处理数据的速度将提高一倍,从而为设计高性能数字电路和系统提供了坚实的基础。3、三值QCA (tQCA)基本逻辑电路的Matlab仿真。现行计算机系统采用二值逻辑电路,主要受限于电路元件只有开关两种状态的技术条件限制。其实多值逻辑电路(MVL)由于信号线能传输多值信号,可携带比二值信号更多的信息量,从而有效地提高电路的信息密度,减少互连线,提高系统工作速度。在介绍tQCA细胞的基础上,循着二值QCA逻辑电路的研究思路,提出了基于Matlab的tQCA基本逻辑电路的半经典模型的仿真算法。随后分别对tQCA信号线、非门和多数门进行了编程仿真。结果表明,三值QCA逻辑电路并不是二值QCA逻辑电路的简单推广,其电路设计理论和设计规则有待进一步研究和探索。