Den nye 5G-modtagerchip, der skal booste wearables og IoT-enheder

Forskere fra MIT har designet en kompakt, lavstrøm-modtagerchip til mindre 5G-smartenheder, som lover at gøre dem mere effektive og funktionelle.

Modtageren udviser stor modstandsdygtighed over for interferens. Denne nye chip er faktisk op til tredive gange mere modstandsdygtig over for harmonisk interferens end nogle af de eksisterende trådløse modtagere.

Derudover kan chippen gøre enhederne i stand til at holde længere ved at give dem øget batterilevetid. Dette gør den nye modtager perfekt til batteridrevne Internet of Things (IoT)-enheder såsom smarte termostater og miljøsensorer, samt smarte kameraer, industrielle overvågningssensorer og wearables, der skal kunne køre i længere perioder af tid.

Den nøgleinnovative design af modtageren, sammen med dens passive filtreringsmekanisme, gør det muligt for enheder at forbruge mindre end en milliwatt (en tusindedel af en watt) statisk strøm. Ikke kun sparer den energi, men den forhindrer også enhedsforstyrrelser ved at beskytte både input og output af modtagerens forstærker mod uønskede signaler.

Endnu en ny tilgang, som forskerne her har taget, involverer en ny arrangement af stablede kondensatorer, der er foropladede. Disse kondensatorer er også forbundet via et netværk af små kontakter, som kræver betydeligt mindre strøm for at tænde og slukke end de sædvanlige, der bruges i IoT-modtagere.

Både forstærkeren og kondensatornetværket i modtageren er omhyggeligt arrangeret for at udnytte et fænomen i forstærkning, der gør det muligt for chippen at bruge meget mindre kondensatorer end normalt krævet.

Dette betyder, at smarte enheder som wearables og sensorer kan gøres mindre, samtidig med at de får længere batterilevetid, bemærkede papirens hovedforfatter, Soroush Araei, som er kandidatstuderende i elektroteknik og datalogi (EECS) på MIT.

Desuden vil disse enheder være mere pålidelige i overfyldte radiomiljøer som smarte bynetværk eller fabriksgulve. Samlet set kan “modtageren hjælpe med at udvide kapaciteterne for IoT-gadgets,” sagde Araei.

Papiret om den nye modtagerdesign, kaldet “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications”, blev præsenteret for nylig ved IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Genovervejelse af Modtageren

I en IoT-enhed fungerer en modtager som en mellemmand mellem enheden og dens omgivelser. 

Dette komponents opgave er at opdage og forstærke trådløse signaler, der sendes af andre enheder eller sensorer, filtrere støj og interferens ud, og derefter konvertere disse signaler til digitale data til behandling. Således har modtagere en betydelig indvirkning på IoT-enhedens forbindelse såvel som dens batterilevetid.

Når man designer modtagere, er et centralt fokus lavstrømshåndtering og kompakt størrelse. De skal være små og lette nok til at passe i forskellige batteridrevne IoT-enheder. Ud over omkostningseffektivitet for bredere adoption, skal modtagere også være kompatible med forskellige kommunikationsstandarder og protokoller samt have høj selektivitet for at filtrere uønskede signaler i overfyldte miljøer.

Typisk opererer IoT-modtagere på faste frekvenser og bruger simple, billige enkeltbåndsfiltre til at undertrykke støj. Selvom de er effektive, fungerer de ikke rigtig med de løbende teknologiske fremskridt.

Med fremkomsten af femte generations (5G) mobilnetværksteknologi får vi nu hurtigere hastigheder, lavere latency og øget kapacitet sammenlignet med forgængeren. 

Ved at muliggøre enheder med reduceret kapacitet, som både er mere energieffektive og overkommelige, åbner 5G dørene for innovative IoT-applikationer. Det betyder, at næste generation af IoT-enheder har brug for modtagere, der kan operere over et bredt frekvensområde, samtidig med at de er økonomiske og energieffektive, hvilket er “ekstremt udfordrende.”

Som Araei forklarede:

“Nu skal vi ikke kun tænke på modtagerens strømforbrug og omkostninger, men også på fleksibiliteten til at håndtere de mange interferenser, der findes i miljøet.”

Dette betyder, at ingeniører ikke kan stole på store off-chip filtre, som normalt bruges i enheder, der opererer over et bredt frekvensområde, for at reducere omkostninger, størrelse og strømforbrug i en IoT-enhed.

Mens et netværk af on-kondensatorer med evnen til at filtrere uønskede signaler tilbyder en løsning, er de modtagelige for en særlig type støj kaldet harmonisk interferens, som holdet adresserede for et par år siden.

I deres tidligere papir, offentliggjort i 2023, lagde MIT-forskerne grundlaget for deres nye modtagerchip.

På det tidspunkt byggede de et switch-kondensatornetværk for at adressere de uønskede harmoniske signaler tidligt i modtagerkæden. Støjen blev filtreret ud, før den blev forstærket og konverteret til digitale bits til behandling.

Med signalinterferens, der sænker enhedens ydeevne og dræner batterier, er fokus på at designe enheder, der kan blokere uønskede signaler effektivt, en opgave der er særligt udfordrende og yderligere forværret af den udbredte adoption af 5G-netværk og kommende generationer af trådløse kommunikationssystemer, der allerede er under udvikling.

For at fjerne behovet for store og dyre filtre til at blokere et udvalg af signaler, udviklede forskerne en kredsløbsarkitektur, der blokerer støj ved input uden at påvirke ydeevnen.

“Vi er interesserede i at udvikle elektroniske kredsløb og systemer, der opfylder kravene fra 5G og fremtidige generationer af trådløse kommunikationssystemer.”

– Seniorforfatter Negar Reiskarimian, X-Window Consortium Career Development Assistant Professor i EECS på det tidspunkt

Modtageren blokerede endda højstrøm interferens uden at tilføre mere støj til signalbehandlingen. Chippen opnåede omkring fyrre gange bedre ydeevne i blokering af harmonisk interferens end mange bredbåndsmodtagere, uden at kræve yderligere hardware eller kredsløb, hvilket gør det lettere at producere chippen i skala.

Ifølge Reiskarimian, som også er kernefakultetsmedlem i Microsystems Technology Laboratories:

“I design af vores kredsløb søger vi inspiration fra andre domæner, såsom digital signalbehandling og anvendt elektromagnetik. Vi tror på kredsløbselegance og enkelhed og forsøger at skabe multifunktionel hardware, der ikke kræver ekstra strøm og chipareal.” 

Den Tekniske Elegance i Chippen

MIT-forskere udviklede modtagerchippen ved hjælp af en mixer-først arkitektur. Her konverteres et radiofrekvens (RF) signal til et lavere frekvenssignal, når det modtages af enheden, før det sendes videre til konverteren.

Dette muliggør dækning af et bredt frekvensområde, mens støj tæt på driftsfrekvensen filtreres ud. Dog er mixer-først modtagere tilbøjelige til harmonisk interferens.

Harmonisk interferens skyldes signaler med frekvenser højere end enhedens driftsfrekvens. Disse frekvenser kan være svære at skelne fra det oprindelige signal, når konverteringstidspunktet kommer.

“Mange andre bredbåndsmodtagere gør ikke noget ved harmonikkerne, før det er tid til at se, hvad bitsene betyder. De gør det senere i kæden, men dette fungerer dårligt, hvis du har højstrømssignaler ved de harmoniske frekvenser. I stedet vil vi fjerne harmonikker så tidligt som muligt for at undgå tab af information.”

– Araei 

Så det hold gjorde, var at tage blokdigital filtrering og tilpasse den til den analoge domæne ved hjælp af kondensatorer.

Kondensatorerne oplades, når signalet modtages, og derefter slukkes de for at holde den opladning til senere databehandling.

Disse kondensatorer kan forbindes på mange forskellige måder. At forbinde dem i parallel er én metode, der gør det muligt for kondensatorerne at udveksle den lagrede ladning, og mens dette kan adressere harmonisk interferens, ender det i tab af signal. En anden mulighed er at stable kondensatorer, men alene er det ikke tilstrækkeligt til at give modstandsdygtighed over for harmonisk interferens.

Løsningen var at arrangere kondensatorerne på en meget præcis måde, hvilket gjorde det muligt for enheden at blokere harmonisk interferens uden tab af information.

At bruge ladningsdeling og kondensatorstabling sammen var ikke gjort før, indtil holdet fandt ud af, at det var fordelagtigt, når det udføres samtidigt. Som Araei bemærkede, fandt de endda “ud af, hvordan man gør dette på en passiv måde inden for mixeren uden at bruge ekstra hardware, mens signalintegriteten bevares og omkostningerne holdes nede.”

Ved test af enheden, som involverede at sende et ønsket signal og harmonisk interferens samtidigt, fandt forskerne, at deres chip var effektiv til at blokere harmoniske signaler, med kun en let reduktion i signalstyrken. 

Chippen var faktisk i stand til at håndtere signaler, der var 40 gange kraftigere end tidligere avancerede bredbåndsmodtagere.

Klik her for at lære, hvordan vejen til 6G kan blive banet med grafen.

Mod Skalerbare, Energiopsamlende 5G-enheder

I den seneste forskning fra denne måned udvidede MIT-forskerne deres tilgang. De har brugt switch-kondensatornetværket som feedback-sti i en forstærker med negativ forstærkning. Denne specifikke konfiguration udnytter Miller-effekten.

Opkaldt efter John Milton Miller, som først beskrev den i 1920, beskriver Miller-effekten situationen, hvor kapacitansen (evnen til at lagre elektrisk ladning) mellem input og output af en forstærker (en elektronisk komponent, der øger styrken af svage elektriske signaler) fremstår som en større kapacitans ved input. 

Effekten gør, at små kondensatorer kan opføre sig som meget større kondensatorer.

“Dette trick gør det muligt for os at opfylde filtreringskravet for snævert båndbredde IoT uden fysisk store komponenter, hvilket drastisk reducerer kredsløbets størrelse.”

– Araei 

Den af forskerne designede modtager har et aktivt område på mindre end 0,05 kvadratmillimeter. Der var én udfordring, som forskerne måtte overvinde, nemlig at bestemme, hvordan man påfører tilstrækkelig spænding til at drive kontakterne, mens chipens samlede strømforsyning holdes lav, kun 0,6 volt.

Men hvis den nødvendige spænding for at skifte er for lav, kan så små kontakter tænde og slukke fejlagtigt, når der er interfererende signaler til stede. Til dette benyttede forskerne en særlig kredsløbsmetode.

Metoden kaldet bootstrap-urstyring øger kontrolspændingen tilstrækkeligt for at sikre, at kontakterne fungerer præcist, mens den forbruger mindre strøm og færre elementer end konventionelle urforstærkningsteknikker.

Alle innovationerne samlet gør det muligt for den nye modtager at bruge mindre end en milliwatt (mW) strøm, mens den blokerer langt mere harmonisk interferens end konventionelle IoT-modtagere. Ifølge Araei:

“Vores chip er også meget stille, i den forstand at den ikke forurener luftbølgerne. Dette skyldes, at vores kontakter er meget små, så den mængde signal, der kan lække ud af antennen, også er meget lille.” 

Prototyp-modtageren (RX) er implementeret i 22-nm fuldt udtømt silicium-on-isolator (FD-SOI) teknologi, optager 0,048 mm² og forbruger strøm i intervallet 1,27-5,48 mW. Modtageren opererer over et frekvensområde på 0,25-3 GHz og opnår blocker 1-dB kompressionspunkt (B1dB) på -3/-2 dBm ved henholdsvis 3. og 5. harmonik. Lokalt oscillator (LO) lækage ved antenneporten viser også overlegen ydeevne sammenlignet med state-of-the-art designs, med værst-case -73 dBm over hele frekvensområdet.

På grund af at den er mindre i størrelse end konventionelle enheder, samt at den benytter foropladede kondensatorer og kontakter i stedet for mere komplekse elektronik, kan modtageren være mere omkostningseffektiv at fremstille. 

Desuden kan designet af modtageren, som kan dække et bredt udvalg af signalfrekvenser, implementeres på en række eksisterende og fremtidige IoT-enheder.

Støttet delvist af National Science Foundation har forskerne udviklet prototypen og sigter nu på at gøre deres modtager i stand til at fungere uden en dedikeret strømforsyning. For at forsyne chippen med strøm kan de undersøge muligheden for at udnytte Bluetooth- eller Wi‑Fi‑signaler fra omgivelserne.

Investering i markedet for analoge og mixed-signal integrerede kredsløb

Når det gælder investering i sektoren, er et af de mest relevante virksomheder at udforske her Analog Devices (ADI ). En stor aktør inden for analoge og mixed-signal halvledere, ADI udvikler datakonvertere, forstærkere, radiofrekvens (RF) IC’er, edge-processorer, strømstyring og andre sensorer. De investerer også i energieffektive arkitekturer til trådløse enheder.

Analog Devices  

Hvis vi ser på markedets præstation af ADI-aktier, handles de i øjeblikket til $234,68, op 10,46% år-til-dato. Virksomhedens aktier har faktisk nydt en positiv markedstendens i mere end et årti, med priser der nåede et rekordhøjt niveau på næsten $244 tidligere i år. Selv efter at have oplevet et fald til næsten $164 i april sammen med det brede marked, er de siden kommet sig flot og registreret en positiv præstation på omkring 42,5%.

Med dette har den en EPS (TTM) på 3,67 og en P/E (TTM) på 64,03. Et udbytteafkast på 1,69% tilbydes også af virksomheden til sine aktionærer.

Hvad angår virksomhedens finanser, rapporterede Analog Devices en omsætning på $2,64 milliarder for det finansielle andet kvartal af 2025, som sluttede den 3. maj 2025. Med tocifret YoY-vækst registreret på tværs af alle slutmarkeder, havde virksomheden $3,9 milliarder i driftskontantstrøm og fri kontantstrøm på $3,3 milliarder på en bagudrettet tolv-måneders basis.

“ADI leverede anden kvartals omsætning og indtjening pr. aktie over den høje ende af vejledningen,” sagde CEO Vincent Roche. “På baggrund af global handelsvolatilitet afspejler vores præstation den fortsatte cykliske genopretning, og styrken og robustheden i vores forretningsmodel. Vores urokkelige engagement i innovation og kundesucces gør det muligt for ADI at fortsætte med at udvide vores lederskab på den stadig mere AI-drevne Intelligent Edge, levere enestående værdi for aktionærer både på kort og lang sigt.”

Den forbedrede efterspørgsel, som Analog Devices registrerede i det forgangne kvartal, ifølge CFO Richard Puccio, understøtter også deres udsigt for fortsat vækst i næste kvartal og bekræfter deres syn “at vi er i en cyklisk opgang.”

For det tredje kvartal af regnskabsåret 2025 forudser de en omsætning på $2,75 milliarder og en driftsmargin på 27,2%. EPS forventes at være omkring $1,23.

I løbet af andet kvartal returnerede virksomheden imidlertid $0,7 milliarder til aktionærerne gennem udbytter og tilbagekøb. Et kvartalsudbytte på $0,99 pr. aktie blev også annonceret af bestyrelsen, som vil blive betalt den 18. juni 2025.

Dette udbytte afspejler en stigning på 8%, annonceret i februar i år, hvilket markerede 21 på hinanden følgende år med højere udbytter. Samtidig fik de tilladelse til at tilbagekøbe yderligere $10 milliarder af deres almindelige aktier.

“ADI’s robuste forretningsmodel og historik med at levere profitabel vækst gør det muligt for os at returnere 100% af fri kontantstrøm til aktionærerne på lang sigt.”

– Roche

I mellemtiden lancerede virksomheden i denne måned et corporate venture capital (CVC) fond kaldet ADVentures (ADV) med det formål at investere i nye muligheder, der vil definere nye fronter inden for innovation og påvirkning.

Fokus vil være på tidlige idéer, der udvikler revolutionerende løsninger inden for menneskelig sundhed, avancerede systemer & robotik, og klima & energi, med særlig interesse i områder som AI, computerarkitekturer, nye sensormodaliteter og sikker forbindelse.

I januar i år sikrede Analog Devices også støtte fra den amerikanske handelsministeriet, som underskrev fire ikke-bindende kontrakter, hvorefter de vil yde op til $105 millioner i direkte finansiering til virksomheden. Kontrakterne er en del af CHIPS and Science Act, designet til at styrke den indenlandske halvlederindustri.

Fokuseret på at muliggøre innovation ved Intelligent Edge, vil investeringen hjælpe med at styrke deres arbejdsstyrketræning og partnerskaber samt håndtere deres miljømæssige fodaftryk.

Seneste nyheder og udviklinger om Analog Devices (ADI) aktier

Konklusion

Med næste generations IoT-enheder, der skal udnytte 5G-teknologi, skal modtagere kunne håndtere et bredt frekvensområde med lavt strømforbrug og omkostninger. 

Forbedret modtagert teknologi her kan føre til bedre forbindelse, længere batterilevetid og mere pålidelig ydeevne for IoT-enheder, hvilket igen muliggør et bredere udvalg af anvendelser inden for områder som smarte hjem, industriel automatisering, sundhedspleje og miljøovervågning.

Efterhånden som efterspørgslen efter energieffektiv, interferensresistent modtagert teknologi bliver kritisk, kan MIT’s kompakte, lavstrøm-modtagerdesign hjælpe smarte enheder med at opnå bedre ydeevne og øget funktionalitet, hvilket fører til smartere, mindre og længerevarende wearables og IoT-enheder for en virkelig sammenkoblet verden!

Klik her for at lære, hvordan et nyt strømsystem forbedrer trådløs opladning.