Der neue 5G-Empfängerchip, der Wearables und IoT-Geräte vorantreibt

Forscher des MIT haben einen kompakten, stromsparenden Empfängerchip für kleinere 5G‑Smart‑Devices entwickelt, der verspricht,sie effizienter und funktionaler zu machen.

Der Empfänger zeigt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen. Dieser neue Chip ist tatsächlich bis zu dreißigmal widerstandsfähiger gegen harmonische Störungen als einige der bestehenden drahtlosen Empfänger.

Zusätzlich kann der Chip Geräte länger laufen lassen, indem er ihnen eine erhöhte Batterielaufzeit bietet. Das macht den neuen Empfänger perfekt für batteriebetriebene Internet of Things (IoT)-Geräte wie intelligente Thermostate und Umweltsensoren sowie Smart‑Kameras, industrielle Überwachungssensoren und Wearables, die über längere Zeiträume betrieben werden müssen.

Das Schlüssel‑Innovationsdesign des Empfängers, zusammen mit seinem passiven Filtermechanismus, ermöglicht es Geräten, weniger als einen Milliwatt (ein Tausendstel Watt) statische Leistung zu verbrauchen. Es spart nicht nur Energie, sondern verhindert auch das Stören von Geräten, indem es sowohl den Eingang als auch den Ausgang des Verstärkers des Empfängers vor unerwünschten Signalen schützt.

Ein weiterer neuartiger Ansatz der Forscher besteht in einer neuen Anordnung von vorgeladenen, gestapelten Kondensatoren. Diese Kondensatoren sind zudem über ein Netzwerk winziger Schalter verbunden, die deutlich weniger Energie zum Ein- und Ausschalten benötigen als die üblichen in IoT‑Empfängern verwendeten.

Sowohl der Verstärker als auch das Kondensatornetzwerk des Empfängers sind sorgfältig angeordnet, um ein Phänomen der Verstärkung zu nutzen, das dem Chip erlaubt, viel kleinere Kondensatoren zu verwenden, als normalerweise erforderlich.

Das bedeutet, dass intelligente Geräte wie Wearables und Sensoren kleiner gebaut werden können, während sie längere Batterielaufzeiten haben, bemerkte der Hauptautor des Papiers, Soroush Araei, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik (EECS) am MIT.

Zudem werden diese Geräte in überfüllten Funkumgebungen wie Smart‑City‑Netzwerken oder Fabrikböden zuverlässiger sein. Insgesamt könnte der „Empfänger die Fähigkeiten von IoT‑Geräten erweitern“, sagte Araei.

Das Papier über das neue Empfängerdesign, mit dem Titel “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications“, wurde kürzlich beim IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium vorgestellt.

Den Empfänger neu überdenken

In einem IoT‑Gerät fungiert ein Empfänger als Vermittler zwischen dem Gerät und seiner Umgebung. 

Die Aufgabe dieser Komponente besteht darin, drahtlose Signale, die von anderen Geräten oder Sensoren gesendet werden, zu erkennen und zu verstärken, jegliches Rauschen und Störungen herauszufiltern und diese Signale anschließend in digitale Daten zur Verarbeitung umzuwandeln. Daher haben Empfänger einen erheblichen Einfluss auf die Konnektivität des IoT‑Geräts sowie auf dessen Batterielebensdauer.

Bei der Entwicklung von Empfängern liegt der Schwerpunkt auf stromsparendem Betrieb und kompakter Größe. Sie müssen klein und leicht genug sein, um in verschiedene batteriebetriebene IoT‑Geräte zu passen. Neben der Kosteneffizienz für eine breitere Akzeptanz müssen Empfänger zudem mit verschiedenen Kommunikationsstandards und -protokollen kompatibel sein und eine hohe Selektivität besitzen, um unerwünschte Signale in überfüllten Umgebungen herauszufiltern.

Typischerweise arbeiten IoT‑Empfänger auf festen Frequenzen und nutzen einfache, kostengünstige Ein‑Narrowband‑Filter, um Rauschen zu unterdrücken. Obwohl sie wirksam sind, passen sie nicht wirklich zu den fortschreitenden technologischen Entwicklungen.

Mit dem Aufkommen der fünften Mobilfunkgeneration (5G) erhalten wir jetzt höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenz und eine höhere Kapazität im Vergleich zu ihrem Vorgänger. 

Durch die Ermöglichung von Geräten mit reduzierter Leistungsfähigkeit, die sowohl energieeffizienter als auch erschwinglicher sind, eröffnet 5G Türen für innovative IoT‑Anwendungen. Das bedeutet, dass die nächste Generation von IoT‑Geräten Empfänger benötigt, die in der Lage sind, über einen breiten Frequenzbereich zu arbeiten, dabei wirtschaftlich und energieeffizient zu sein – was „extrem herausfordernd“ ist.

Wie Araei erklärte:

„Jetzt müssen wir nicht nur über die Leistung und die Kosten des Empfängers nachdenken, sondern auch über die Flexibilität, zahlreiche Störquellen in der Umgebung zu adressieren.“

Das bedeutet, dass Ingenieure nicht auf sperrige Off‑Chip‑Filter, die üblicherweise in Geräten mit breitem Frequenzbereich verwendet werden, zurückgreifen können, um die Kosten, Größe und den Stromverbrauch eines IoT‑Geräts zu senken.

Während ein Netzwerk von On‑Capacitors, das unerwünschte Signale filtern kann, eine Lösung bietet, sind sie anfällig für eine spezielle Art von Rauschen, die als harmonische Störung bezeichnet wird und die das Team vor ein paar Jahren angegangen ist.

In ihrem vorherigen Papier, veröffentlicht im Jahr 2023, legten die MIT‑Forscher die Grundlage für ihren neuartigen Empfängerchip.

Damals bauten sie ein Schalt‑Kondensator‑Netzwerk, um die unerwünschten harmonischen Signale früh in der Empfängerkette zu adressieren. Das Rauschen wurde herausgefiltert, bevor es verstärkt und in digitale Bits zur Verarbeitung umgewandelt wurde.

Da Signalstörungen die Geräteleistung verlangsamen und die Batterien entladen, liegt der Fokus darauf, Geräte zu entwerfen, die unerwünschte Signale effizient blockieren können – eine Aufgabe, die besonders herausfordernd ist und durch die weit verbreitete Einführung von 5G‑Netzwerken sowie zukünftigen Generationen von drahtlosen Kommunikationssystemen, die bereits in Entwicklung sind, noch verschärft wird.

Um die Notwendigkeit sperriger und teurer Filter zur Blockierung eines Signalspektrums zu beseitigen, entwickelten die Forscher eine Schaltkreisarchitektur, die Rauschen am Eingang blockiert, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

„Wir sind daran interessiert, elektronische Schaltungen und Systeme zu entwickeln, die den Anforderungen von 5G und zukünftigen Generationen drahtloser Kommunikationssysteme gerecht werden.“

– Seniorautorin Negar Reiskarimian, damals X‑Window‑Consortium Career Development Assistant Professor in EECS

Der Empfänger blockierte sogar Hochleistungsstörungen, ohne zusätzliches Rauschen in die Signalverarbeitung zu bringen. Der Chip erreichte etwa vierzigmal bessere Leistung beim Blockieren harmonischer Störungen als viele Breitbandempfänger, ohne zusätzliche Hardware oder Schaltungen zu benötigen, was die Massenproduktion des Chips erleichtert.

Laut Reiskarimian, die ebenfalls Kernmitglied der Microsystems Technology Laboratories ist:

„Bei der Gestaltung unserer Schaltungen suchen wir Inspiration aus anderen Bereichen, wie der digitalen Signalverarbeitung und angewandten Elektromagnetik. Wir glauben an Schaltungseleganz und Einfachheit und versuchen, multifunktionale Hardware zu entwickeln, die keinen zusätzlichen Strom und keine zusätzliche Chipfläche benötigt.“ 

Die ingenieurtechnische Eleganz des Chips

MIT‑Forscher entwickelten den Empfängerchip mit einer Mixer‑First‑Architektur. Hier wird ein Funksignal (RF) nach dem Empfang vom Gerät in ein niederfrequentes Signal umgewandelt, bevor es an den Konverter weitergeleitet wird.

Dies ermöglicht eine Abdeckung eines breiten Frequenzbereichs, während Rauschen in der Nähe der Betriebsfrequenz herausgefiltert wird. Allerdings sind Mixer‑First‑Empfänger anfällig für harmonische Störungen.
Harmonische Störungen entstehen durch Signale mit Frequenzen, die höher sind als die Betriebsfrequenz des Geräts. Diese Frequenzen können schwer vom Originalsignal zu unterscheiden sein, wenn die Umwandlung erfolgt.

„Viele andere Breitbandempfänger tun nichts gegen die Harmonischen, bis es Zeit ist, zu sehen, was die Bits bedeuten. Sie erledigen das später in der Kette, aber das funktioniert nicht gut, wenn Sie Hochleistungssignale bei den harmonischen Frequenzen haben. Stattdessen wollen wir Harmonische so schnell wie möglich entfernen, um Informationsverlust zu vermeiden.“

– Araei 

Also nahm das Team die Block‑Digitale‑Filterung und adaptierte sie mithilfe von Kondensatoren in den analogen Bereich.

Kondensatoren werden aufgeladen, wenn das Signal empfangen wird, und dann werden sie abgeschaltet, um die Ladung für die spätere Datenverarbeitung zu halten.

Diese Kondensatoren können auf viele verschiedene Arten verbunden werden. Das Verbinden in Parallelschaltung ist eine Möglichkeit, die es den Kondensatoren ermöglicht, die gespeicherten Ladungen auszutauschen, und während dies die harmonischen Störungen adressieren kann, führt es zum Verlust des Signals. Eine andere Option ist das Stapeln von Kondensatoren, aber allein reicht das nicht aus, um Widerstandsfähigkeit gegen harmonische Störungen zu bieten.

Die Lösung bestand darin, die Kondensatoren sehr präzise anzuordnen, wodurch das Gerät harmonische Störungen blockieren konnte, ohne Informationsverlust.

Die gleichzeitige Nutzung von Ladungsteilung und Kondensatorstapelung war zuvor nicht üblich, bis das Team feststellte, dass dies gleichzeitig vorteilhaft ist. Wie Araei bemerkte, fanden sie sogar heraus, wie man dies passiv innerhalb des Mixers umsetzt, ohne zusätzliche Hardware zu verwenden, während die Signalintegrität erhalten und die Kosten gesenkt werden.

Bei den Tests des Geräts, bei denen ein gewünschtes Signal und harmonische Störungen gleichzeitig gesendet wurden, stellten die Forscher fest, dass ihr Chip effektiv harmonische Signale blockiert, wobei nur eine leichte Verringerung der Signalstärke auftrat. 

Der Chip konnte tatsächlich Signale verarbeiten, die 40‑mal stärker waren als bei vorherigen, fortschrittlichen Breitbandempfängern.

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Hin zu skalierbaren, energieerntenden 5G‑Geräten

In der neuesten Forschung dieses Monats haben die MIT‑Forscher ihren Ansatz erweitert. Sie haben das Schalt‑Kondensator‑Netzwerk als Rückkopplungspfad in einem Verstärker mit negativem Gewinn verwendet. Diese spezielle Konfiguration nutzt den Miller‑Effekt.

Benannt nach John Milton Miller, der ihn 1920 erstmals beschrieb, erklärt der Miller‑Effekt die Situation, bei der die Kapazität (die Fähigkeit eines Objekts, elektrische Ladung zu speichern) zwischen Eingang und Ausgang eines Verstärkers (ein elektronisches Bauteil, das die Stärke schwacher elektrischer Signale erhöht) als größere Kapazität am Eingang erscheint. 

Der Effekt ermöglicht es kleinen Kondensatoren, sich wie viel größere Kondensatoren zu verhalten.

„Dieser Trick ermöglicht es uns, die Filteranforderungen für Narrow‑Band‑IoT zu erfüllen, ohne physisch große Bauteile zu benötigen, was die Größe der Schaltung drastisch verkleinert.“

– Araei 

Der von den Forschern entworfene Empfänger hat eine aktive Fläche von weniger als 0,05 Quadratmillimetern. Eine Herausforderung, die die Forscher überwinden mussten, war zu entscheiden, wie man genug Spannung anlegt, um die Schalter zu betreiben, während die Gesamtstromversorgung des Chips niedrig bleibt, bei nur 0,6 Volt.

Wenn jedoch die für das Schalten benötigte Spannung zu niedrig ist, können solche winzigen Schalter bei vorhandenen Störsignalen fehlerhaft ein- und ausgeschaltet werden. Dafür nutzten die Forscher eine spezielle Schaltungsmethode.

Die Methode, die als Bootstrap‑Clocking bezeichnet wird, erhöht die Steuerspannung ausreichend, um sicherzustellen, dass die Schalter präzise arbeiten, während sie weniger Leistung und weniger Bauteile verbrauchen als herkömmliche Clock‑Boosting‑Techniken.

All diese Innovationen zusammen ermöglichen es dem neuen Empfänger, weniger als einen Milliwatt (mW) zu verbrauchen, während er weitaus mehr harmonische Störungen blockiert als herkömmliche IoT‑Empfänger. Laut Araei:

„Unser Chip ist zudem sehr leise, was die Verunreinigung des Funkspektrums betrifft. Das liegt daran, dass unsere Schalter sehr klein sind, sodass die Menge des Signals, das aus der Antenne austreten kann, ebenfalls sehr gering ist.“ 

Der Prototyp‑Empfänger (RX) ist in 22‑nm Fully‑Depleted Silicon‑On‑Insulator (FD‑SOI) Technologie implementiert, belegt 0,048 mm² und verbraucht zwischen 1,27 und 5,48 mW. Der Empfänger arbeitet über einen Frequenzbereich von 0,25‑3 GHz und erreicht einen Blocker‑1‑dB‑Kompressionspunkt (B1dB) von -3 /-2 dBm bei den 3. / 5. Harmonischen. Der Leckstrom des lokalen Oszillators (LO) am Antennenanschluss zeigt ebenfalls eine überlegene Leistung im Vergleich zu aktuellen Designs, mit einem Worst‑Case von -73 dBm über den gesamten Frequenzbereich.

Da er kleiner ist als herkömmliche Geräte und auf vorgeladenen Kondensatoren und Schaltern anstelle komplexerer Elektronik basiert, könnte der Empfänger kostengünstiger herzustellen sein. 

Außerdem kann das Design des Empfängers, das einen breiten Frequenzbereich abdeckt, auf einer Vielzahl bestehender und zukünftiger IoT‑Geräte implementiert werden.

Teilweise unterstützt von der National Science Foundation haben die Forscher den Prototyp entwickelt und streben nun an, ihren Empfänger ohne eigene Stromversorgung betreiben zu können. Um den Chip zu versorgen, könnten sie Bluetooth‑ oder Wi‑Fi‑Signale aus der Umgebung nutzen.

Investitionen in den Markt für analoge und Mixed‑Signal‑Integrated‑Circuits

Wenn es um Investitionen in den Sektor geht, ist eines der relevantesten Unternehmen hier Analog Devices (ADI ). Ein wichtiger Akteur im Bereich analoger und Mixed‑Signal‑Halbleiter, ADI entwickelt Datenwandler, Verstärker, Radio‑Frequency‑ICs (RF‑ICs), Edge‑Prozessoren, Energiemanagement und andere Sensoren. Es investiert zudem in energieeffiziente Architekturen für drahtlose Geräte.

Analog Devices  

Wenn wir die Marktentwicklung der ADI‑Aktien betrachten, werden sie derzeit bei 234,68 $ gehandelt, ein Anstieg von 10,46 % im Jahresverlauf. Die Aktien des Unternehmens verzeichnen seit über einem Jahrzehnt einen positiven Trend, wobei die Preise Anfang dieses Jahres fast 244 $ erreichten. Selbst nach einem Einbruch auf fast 164 $ im April im Zuge des breiten Marktes erholten sie sich seitdem deutlich und verzeichneten eine positive Performance von etwa 42,5 %.

Damit hat das Unternehmen ein EPS (TTM) von 3,67 und ein KGV (TTM) von 64,03. Eine Dividendenrendite von 1,69 % wird den Aktionären ebenfalls angeboten.

Was die Finanzkennzahlen betrifft, meldete Analog Devices für das zweite Quartal 2025 einen Umsatz von 2,64 Milliarden $, das am 3. Mai 2025 endete. Mit zweistelligem YoY‑Wachstum in allen Endmärkten erzielte das Unternehmen einen operativen Cashflow von 3,9 Milliarden $ und einen freien Cashflow von 3,3 Milliarden $ auf einer zwölf‑Monats‑Basis.

„ADI lieferte im zweiten Quartal Umsatz und Gewinn je Aktie über dem oberen Ende der Prognose“, sagte CEO Vincent Roche. „Vor dem Hintergrund der globalen Handelsvolatilität spiegelt unsere Leistung die anhaltende zyklische Erholung wider und die Stärke und Widerstandsfähigkeit unseres Geschäftsmodells. Unser unerschütterliches Engagement für Innovation und Kundenerfolg ermöglicht es ADI, unsere Führungsposition am zunehmend KI‑getriebenen Intelligent Edge weiter auszubauen und außergewöhnlichen Wert für Aktionäre sowohl kurzfristig als auch langfristig zu liefern.“

Die im letzten Quartal verzeichnete gesteigerte Nachfrage, so CFO Richard Puccio, unterstützt zudem ihre Aussichten für weiteres Wachstum im nächsten Quartal und bekräftigt ihre Ansicht, „dass wir uns in einem zyklischen Aufschwung befinden.“

Für das dritte Quartal des Geschäftsjahres 2025 prognostizieren sie einen Umsatz von 2,75 Milliarden $ und eine operative Marge von 27,2 %. Der erwartete Gewinn je Aktie liegt bei etwa 1,23 $.

Während des zweiten Quartals hat das Unternehmen zudem 0,7 Milliarden $ an die Aktionäre durch Dividenden und Rückkäufe zurückgeführt. Eine vierteljährliche Bardividende von 0,99 $ pro Aktie wurde ebenfalls vom Vorstand angekündigt und soll am 18. Juni 2025 ausgezahlt werden.

Diese Dividende spiegelt eine Erhöhung um 8 % wider, die im Februar dieses Jahres angekündigt wurde und 21 aufeinanderfolgende Jahre steigender Dividenden markiert. Gleichzeitig erhielten sie die Genehmigung, zusätzlich 10 Milliarden $ ihrer Stammaktien zurückzukaufen.

„Das widerstandsfähige Geschäftsmodell von ADI und die Erfolgsbilanz profitablen Wachstums ermöglichen es uns, langfristig 100 % des freien Cashflows an die Aktionäre zurückzugeben.“

– Roche

Inzwischen hat das Unternehmen in diesem Monat einen Corporate‑Venture‑Capital‑Fonds (CVC) namens ADVentures (ADV) ins Leben gerufen, um in aufstrebende Chancen zu investieren, die neue Innovationsgrenzen definieren und Einfluss haben.

Der Fokus liegt auf frühen Ideen, die revolutionäre Lösungen in den Bereichen Human Health, Advanced Systems & Robotics sowie Climate & Energy entwickeln, mit besonderem Interesse an Bereichen wie KI, Computerarchitekturen, neue Sensormodalitäten und sichere Konnektivität.

Im Januar dieses Jahres sicherte sich Analog Devices zudem Unterstützung vom US‑Handelsministerium, das vier unverbindliche Verträge unterzeichnete, nach denen dem Unternehmen bis zu 105 Millionen $ direkte Finanzierung bereitgestellt werden. Die Verträge sind Teil des CHIPS‑and‑Science‑Acts, der die heimische Halbleiterindustrie stärken soll.

Mit dem Fokus auf die Förderung von Innovationen am Intelligent Edge wird die Investition dazu beitragen, die Ausbildung und Partnerschaften der Belegschaft zu stärken sowie den ökologischen Fußabdruck zu managen.

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu Analog Devices (ADI) Aktien

Fazit

Mit IoT‑Geräten der nächsten Generation, die 5G‑Technologie nutzen, müssen Empfänger in der Lage sein, ein breites Frequenzspektrum mit geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten zu bewältigen. 

Verbesserte Empfängertechnologie kann hier zu besserer Konnektivität, längerer Batterielaufzeit und zuverlässigerer Leistung für IoT‑Geräte führen, wodurch ein breiteres Anwendungsspektrum in Bereichen wie Smart Homes, industrielle Automatisierung, Gesundheitswesen und Umweltüberwachung ermöglicht wird.

Da die Nachfrage nach energieeffizienter, störungsresistenter Empfängertechnologie kritisch wird, kann das kompakte, stromsparende Empfängerdesign von MIT intelligente Geräte zu besserer Leistung und erhöhter Funktionalität befähigen, was zu intelligenteren, kleineren und langlebigeren Wearables und IoT‑Geräten für eine wirklich vernetzte Welt führt!

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