El Nuevo Chip Receptor 5G Destinado a Potenciar los Dispositivos Wearables e IoT

Los investigadores del MIT han diseñado un chip receptor compacto y de bajo consumo para dispositivos inteligentes 5G más pequeños, prometiendo hacerlos más eficientes y funcionales.

El receptor muestra una gran resistencia a la interferencia. Este nuevo chip es en realidad hasta treinta veces más resistente a la interferencia armónica que algunos de los receptores inalámbricos existentes.

Además, el chip puede permitir que los dispositivos duren más al proporcionarles una mayor vida útil de la batería. Esto hace que el nuevo receptor sea perfecto para dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) alimentados por batería, como termostatos inteligentes y sensores ambientales, así como cámaras inteligentes, sensores de monitoreo industrial y wearables que deben funcionar durante períodos prolongados.

El diseño innovador clave del receptor, junto con su mecanismo de filtrado pasivo, permite que los dispositivos consuman menos de un milivatio (una milésima de un vatio) de potencia estática. No solo conserva energía, sino que también evita el bloqueo del dispositivo al proteger tanto la entrada como la salida del amplificador del receptor de señales indeseables.

Otro enfoque novedoso adoptado por los investigadores aquí implica una nueva disposición de capacitores apilados que están precargados. Estos capacitores también están conectados mediante una red de diminutos interruptores que requieren significativamente menos energía para encenderse y apagarse que los habituales utilizados en receptores IoT.

Tanto el amplificador como la red de capacitores del receptor están dispuestos cuidadosamente para aprovechar un fenómeno en la amplificación que permite que el chip use capacitores mucho más pequeños de lo que normalmente se requiere.

Esto significa que los dispositivos inteligentes como wearables y sensores pueden hacerse más pequeños mientras tienen una vida de batería más larga, señaló el autor principal del artículo, Soroush Araei, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica y ciencias de la computación (EECS) del MIT.

Además, estos dispositivos serán más fiables en entornos de radio congestionados como redes de ciudades inteligentes o pisos de fábricas. En general, “el receptor podría ayudar a expandir las capacidades de los dispositivos IoT”, dijo Araei.

El artículo sobre el nuevo diseño del receptor, llamado “Un Receptor N-Path con Ganancia Mejorada y Supresión Armónica mediante Arranque de Reloj para Aplicaciones IoT”, se presentó recientemente en el IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Repensando el Receptor

En un dispositivo IoT, un receptor sirve como intermediario entre el dispositivo y su entorno. 

La tarea de este componente es detectar y amplificar señales inalámbricas transmitidas por otros dispositivos o sensores, filtrar cualquier ruido e interferencia, y luego convertir esas señales en datos digitales para su procesamiento. Por lo tanto, los receptores tienen un impacto significativo en la conectividad del dispositivo IoT así como en su vida de batería.

Al diseñar receptores, un enfoque clave es la operación de bajo consumo y el tamaño compacto. Necesitan ser lo suficientemente pequeños y ligeros para encajar en varios dispositivos IoT alimentados por batería. Además del costo efectivo para una adopción más amplia, los receptores también deben ser compatibles con diferentes estándares y protocolos de comunicación y tener alta selectividad para filtrar señales no deseadas en entornos congestionados.

Normalmente, los receptores IoT operan en frecuencias fijas y utilizan filtros simples y económicos de banda estrecha única para suprimir el ruido. Si bien son efectivos, realmente no se adaptan a los avances tecnológicos continuos.

Con la llegada de la tecnología de red celular de quinta generación (5G), ahora obtenemos velocidades más rápidas, menor latencia y mayor capacidad en comparación con su predecesora.

Al permitir dispositivos de capacidad reducida que sean tanto más eficientes energéticamente como asequibles, el 5G está abriendo las puertas a aplicaciones IoT innovadoras. Lo que esto significa es que la próxima generación de dispositivos IoT necesita receptores con la capacidad de operar en un amplio rango de frecuencias mientras son económicos y eficientes en energía, lo cual es “extremadamente desafiante”.

Como explicó Araei:

“Ahora no solo necesitamos pensar en la potencia y el costo del receptor, sino también en la flexibilidad para abordar los numerosos interferentes que existen en el entorno.”

Esto significa que los ingenieros no pueden depender de filtros voluminosos fuera del chip, que normalmente se usan en dispositivos que operan en un amplio rango de frecuencias, para reducir el costo, el tamaño y el consumo de energía de un dispositivo IoT.

Si bien una red de capacitores internos con capacidad de filtrar señales no deseadas ofrece una solución, son susceptibles a un tipo especial de ruido llamado interferencia armónica, que el equipo abordó hace un par de años.

En su artículo anterior, publicado en 2023, los investigadores del MIT sentaron las bases para su novedoso chip receptor.

En ese momento, construyeron una red de conmutación-capacitor para abordar las señales armónicas no deseadas al inicio de la cadena del receptor. El ruido se filtró antes de que fuera amplificado y convertido en bits digitales para su procesamiento.

Con la interferencia de señal ralentizando el rendimiento del dispositivo y agotando las baterías, el enfoque está en diseñar dispositivos que puedan bloquear señales no deseadas de manera eficiente, una tarea particularmente desafiante y que se ve aún más agravada por la adopción generalizada de redes 5G y las futuras generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica ya en desarrollo.

Para eliminar la necesidad de filtros voluminosos y costosos que bloqueen una gama de señales, los investigadores desarrollaron una arquitectura de circuito que bloquea el ruido en la entrada sin afectar su rendimiento.

“Estamos interesados en desarrollar circuitos y sistemas electrónicos que satisfagan las demandas del 5G y de las futuras generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica.”

– Autor senior Negar Reiskarimian, Profesora Asistente de Desarrollo de Carrera del Consorcio X-Window en EECS en ese momento

El receptor incluso bloqueó interferencias de alta potencia sin introducir más ruido en el procesamiento de la señal. El chip logró un rendimiento aproximadamente cuarenta veces mejor al bloquear interferencia armónica que muchos receptores de banda ancha, sin necesidad de hardware o circuitería adicional, lo que facilita la fabricación del chip a escala.
Según Reiskarimian, quien también es miembro central de la Facultad de Laboratorios de Tecnología de Microsistemas:

“Al diseñar nuestros circuitos, buscamos inspiración en otros dominios, como el procesamiento digital de señales y la electromagnética aplicada. Creemos en la elegancia y simplicidad de los circuitos y tratamos de crear hardware multifuncional que no requiera energía adicional ni área de chip.” 

La Elegancia de Ingeniería del Chip

Los investigadores del MIT desarrollaron el chip receptor usando una arquitectura de mezclador primero. Aquí, una señal de radiofrecuencia (RF) se convierte en una señal de frecuencia más baja al ser recibida por el dispositivo, antes de ser pasada al convertidor.

Esto permite una cobertura de amplio rango de frecuencias mientras se filtra el ruido cercano a la frecuencia de operación. Sin embargo, los receptores de mezclador primero son propensos a la interferencia armónica.

La interferencia armónica resulta de señales con frecuencias superiores a la frecuencia de operación del dispositivo. Estas frecuencias pueden ser difíciles de diferenciar de la señal original cuando llega el momento de la conversión.

“Muchos otros receptores de banda ancha no hacen nada respecto a los armónicos hasta que llega el momento de interpretar los bits. Lo hacen más tarde en la cadena, pero esto no funciona bien si tienes señales de alta potencia en las frecuencias armónicas. En su lugar, queremos eliminar los armónicos lo antes posible para evitar la pérdida de información.”

– Araei 

Entonces, lo que el equipo hizo fue tomar el filtrado digital por bloques y adaptarlo al dominio analógico usando capacitores.

Los capacitores se cargan cuando la señal es recibida, y luego se desconectan para mantener esa carga para el procesamiento de datos más tarde.

Estos capacitores pueden conectarse de muchas maneras diferentes. Conectarlos en paralelo es una forma que permite que estos capacitores intercambien las cargas almacenadas, y aunque esto puede abordar la interferencia armónica, termina en pérdida de señal. Otra opción es apilar capacitores, pero por sí sola no es suficiente para proporcionar resistencia a la interferencia armónica.

La solución fue disponer los capacitores de manera muy precisa, lo que permitió al dispositivo bloquear la interferencia armónica sin pérdida de información.

Usar compartición de carga y apilamiento de capacitores juntos no se había hecho antes, hasta que el equipo descubrió que era beneficioso cuando se realizaba simultáneamente. Como señaló Araei, incluso “descubrieron cómo hacer esto de forma pasiva dentro del mezclador sin usar hardware adicional, manteniendo la integridad de la señal y reduciendo los costos.”

Al probar el dispositivo, lo que implicó enviar simultáneamente una señal deseada y una interferencia armónica, los investigadores encontraron que su chip era eficaz para bloquear señales armónicas, con solo una ligera reducción en la fuerza de la señal.

El chip en realidad pudo manejar señales que eran 40 veces más potentes que los receptores de banda ancha avanzados anteriores.

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Hacia Dispositivos 5G Escalables y de Captura de Energía

En la investigación más reciente de este mes, los investigadores del MIT ampliaron su enfoque. Lo que han hecho es usar la red de conmutación-capacitor como la ruta de retroalimentación en un amplificador con ganancia negativa. Esta configuración particular aprovecha el efecto Miller.

Nombrado en honor a John Milton Miller, quien lo describió por primera vez en 1920, el efecto Miller describe la situación en la que la capacitancia (la capacidad de un objeto para almacenar carga eléctrica) entre la entrada y la salida de un amplificador (un componente electrónico que aumenta la fuerza de señales eléctricas débiles) aparece como una capacitancia mayor en la entrada.

El efecto permite que los capacitores pequeños se comporten como capacitores mucho más grandes.

“Este truco nos permite cumplir con el requisito de filtrado para IoT de banda estrecha sin componentes físicamente grandes, lo que reduce drásticamente el tamaño del circuito.”

– Araei 

El receptor diseñado por los investigadores tiene un área activa de menos de 0,05 milímetros cuadrados. Un desafío que los investigadores tuvieron que superar fue decidir cómo aplicar suficiente voltaje para activar los interruptores manteniendo la alimentación total del chip baja, solo 0,6 voltios.

Sin embargo, si el voltaje necesario para el conmutado es demasiado bajo, esos interruptores diminutos pueden encenderse y apagarse erróneamente cuando hay señales interferentes presentes. Para esto, los investigadores utilizaron un método de circuito especial.

El método llamado temporización de arranque (bootstrap clocking) mejora la tensión de control lo suficiente para asegurar que los interruptores funcionen con precisión mientras consumen menos energía y menos componentes que las técnicas convencionales de aumento de reloj.

Todas las innovaciones juntas permiten que el nuevo receptor use menos de un milivatio (mW) de energía mientras bloquea mucho más interferencia armónica que los receptores IoT convencionales. Según Araei:

“Nuestro chip también es muy silencioso, en términos de no contaminar el espectro. Esto se debe a que nuestros interruptores son muy pequeños, por lo que la cantidad de señal que puede filtrarse de la antena también es muy pequeña.” 

El receptor prototipo (RX) está implementado en tecnología de silicio sobre aislante totalmente agotado (FD-SOI) de 22 nm, ocupando 0,048 mm² y consumiendo entre 1,27 y 5,48 mW. El receptor opera en un rango de frecuencia de 0,25 a 3 GHz y logra un punto de compresión de bloqueador de 1 dB (B1dB) de -3/-2 dBm en los armónicos 3.º/5.º, respectivamente. La fuga del oscilador local (LO) en el puerto de la antena también muestra un rendimiento superior comparado con los diseños de última generación, con un peor caso de -73 dBm en todo el rango de frecuencias.

Debido a su menor tamaño en comparación con los dispositivos convencionales, y al basarse en capacitores y interruptores precargados en lugar de electrónica más compleja, el receptor podría ser más rentable de fabricar. 

Además, con el diseño del receptor capaz de cubrir un amplio rango de frecuencias de señal, puede implementarse en una variedad de dispositivos IoT existentes y futuros.

Con el apoyo parcial de la National Science Foundation, los investigadores han desarrollado el prototipo y ahora buscan permitir que su receptor opere sin una fuente de alimentación dedicada. Para alimentar el chip, pueden explorar el uso de señales Bluetooth o Wi‑Fi del entorno.

Inversión en el Mercado de Circuitos Integrados Analógicos y de Señal Mixta

En lo que respecta a la inversión en el sector, una de las compañías más relevantes a explorar aquí es Analog Devices (ADI ). Un actor importante en semiconductores analógicos y de señal mixta, ADI desarrolla convertidores de datos, amplificadores, circuitos integrados de radiofrecuencia (RF), procesadores de borde, gestión de energía y otros sensores. También invierte en arquitecturas energéticamente eficientes para dispositivos inalámbricos.

Analog Devices  

Si observamos el desempeño del mercado de las acciones de ADI, actualmente cotizan a $234.68, con un aumento del 10.46% en lo que va del año. Las acciones de la compañía han disfrutado de una tendencia positiva en el mercado durante más de una década, alcanzando un máximo histórico de casi $244 a principios de este año. Incluso después de experimentar una caída a casi $164 en abril junto con el mercado amplio, se han recuperado notablemente, registrando un desempeño positivo de aproximadamente 42.5%.

Con eso, tiene un EPS (TTM) de 3.67 y un P/E (TTM) de 64.03. La compañía también ofrece a sus accionistas un rendimiento de dividendo del 1.69%.

En cuanto a los estados financieros de la compañía, Analog Devices reportó ingresos de $2.64 mil millones para su segundo trimestre fiscal de 2025, que finalizó el 3 de mayo de 2025. Con un crecimiento interanual de dos dígitos registrado en todos los mercados finales, la compañía tuvo $3.9 mil millones en flujo de efectivo operativo y flujo de efectivo libre de $3.3 mil millones en una base de doce meses.

“ADI entregó ingresos y ganancias por acción del segundo trimestre por encima del extremo alto de la guía”, dijo el CEO Vincent Roche. “En un contexto de volatilidad comercial global, nuestro desempeño refleja la recuperación cíclica en curso, y la fortaleza y resiliencia de nuestro modelo de negocio. Nuestro compromiso inquebrantable con la innovación y el éxito del cliente permite a ADI continuar ampliando nuestro liderazgo en el Edge Inteligente cada vez más impulsado por IA, ofreciendo un valor excepcional para los accionistas tanto a corto como a largo plazo.”

La mayor demanda registrada por Analog Devices en el último trimestre, según el CFO Richard Puccio, también respalda sus perspectivas de crecimiento continuo en el próximo trimestre y refuerza su visión de que “estamos en una fase cíclica de alza”.

Para el tercer trimestre del año fiscal 2025, pronostican ingresos de $2.75 mil millones y un margen operativo del 27.2%. Se espera que el EPS sea alrededor de $1.23.

Durante el segundo trimestre, mientras tanto, la compañía devolvió $0.7 mil millones a los accionistas mediante dividendos y recompras. También se anunció un dividendo en efectivo trimestral de $0.99 por acción, que se pagará el 18 de junio de 2025.

Este dividendo refleja un aumento del 8%, anunciado en febrero de este año, lo que marcó 21 años consecutivos de dividendos crecientes. Al mismo tiempo, obtuvieron la autorización para recomprar $10 mil millones adicionales de sus acciones comunes.

“El modelo de negocio resiliente de ADI y su historial de entregar crecimiento rentable nos permite devolver el 100% del flujo de efectivo libre a los accionistas a largo plazo.”

– Roche

Mientras tanto, este mes, la compañía lanzó un fondo de capital de riesgo corporativo (CVC) llamado ADVentures (ADV) con el objetivo de invertir en oportunidades emergentes que definirán nuevas fronteras en innovación e impacto.

El enfoque se centrará en ideas incipientes que desarrollen soluciones revolucionarias en Salud Humana, Sistemas Avanzados y Robótica, y Clima y Energía, con interés particular en áreas como IA, arquitecturas de computación, nuevas modalidades de detección y conectividad segura.

En enero de este año, Analog Devices también aseguró el apoyo del Departamento de Comercio de EE. UU., que firmó cuatro contratos no vinculantes, mediante los cuales proporcionará hasta $105 millones en financiación directa a la compañía. Los contratos forman parte de la Ley CHIPS y Science, diseñada para impulsar la industria nacional de semiconductores.

Enfocado en habilitar la innovación en el Edge Inteligente, la inversión ayudará a fortalecer la capacitación de su fuerza laboral y asociaciones, así como a gestionar su huella ambiental.

Últimas Noticias y Desarrollos de las Acciones de Analog Devices (ADI)

Conclusión

Con los dispositivos IoT de próxima generación que utilizarán tecnología 5G, los receptores deben ser capaces de manejar un amplio rango de frecuencias con bajo consumo de energía y costo.

La tecnología de receptores mejorada aquí puede conducir a una mejor conectividad, mayor vida de batería y un rendimiento más fiable para los dispositivos IoT, lo que a su vez permite una gama más amplia de aplicaciones en áreas como hogares inteligentes, automatización industrial, atención médica y monitoreo ambiental.

A medida que la demanda de tecnología de receptores energéticamente eficientes y resistentes a la interferencia se vuelve crítica, el diseño compacto y de bajo consumo del MIT puede ayudar a los dispositivos inteligentes a lograr un mejor rendimiento y mayor funcionalidad, conduciendo a wearables y dispositivos IoT más inteligentes, más pequeños y de mayor duración para un mundo verdaderamente interconectado.

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