De nieuwe 5G-ontvangerchip die wearables en IoT-apparaten een boost geeft

Onderzoekers van MIT hebben een compacte, energiezuinige ontvangerchip ontworpen voor kleinere 5G‑slimme apparaten, met de belofte om ze efficiënter en functioneler te maken.

De ontvanger toont grote weerstand tegen interferentie. Deze nieuwe chip is zelfs wel dertig keer beter bestand tegen harmonische interferentie dan sommige bestaande draadloze ontvangers.

Bovendien kan de chip apparaten langer laten meegaan door hen een verhoogde batterijduur te geven. Dit maakt de nieuwe ontvanger perfect voor op batterijen werkende Internet of Things (IoT)-apparaten zoals slimme thermostaten en omgevingssensoren, evenals smart camera's, industriële monitoringsensoren en wearables die gedurende langere tijd moeten functioneren.

Het belangrijkste innovatieve ontwerp van de ontvanger, samen met zijn passieve filtermechanisme, stelt apparaten in staat minder dan een milliwatt (een duizendste van een watt) statisch vermogen te verbruiken. Het bespaart niet alleen energie, maar voorkomt ook storingen door zowel de ingang als de uitgang van de versterker van de ontvanger te beschermen tegen ongewenste signalen.

Een andere nieuwe aanpak van de onderzoekers omvat een nieuwe opstelling van gestapelde condensatoren die vooraf zijn opgeladen. Deze condensatoren zijn ook verbonden via een netwerk van kleine schakelaars die aanzienlijk minder stroom nodig hebben om aan en uit te schakelen dan de gebruikelijke schakelaars in IoT‑ontvangers.

Zowel de versterker als het condensatornetwerk van de ontvanger zijn zorgvuldig geordend om te profiteren van een fenomeen in de versterking dat de chip in staat stelt veel kleinere condensatoren te gebruiken dan normaal vereist.

Dit betekent dat slimme apparaten zoals wearables en sensoren kleiner kunnen worden gemaakt terwijl ze een langere batterijduur hebben, aldus de hoofdauteur van het artikel, Soroush Araei, een graduate student elektrotechniek en computerwetenschappen (EECS) aan MIT.

Bovendien zullen deze apparaten betrouwbaarder zijn in drukke radiomilieu’s zoals slimme stedelijke netwerken of fabrieksvloeren. Over het geheel genomen zou de “ontvanger de mogelijkheden van IoT‑gadgets kunnen uitbreiden,” zei Araei.

Het artikel over het nieuwe ontvangerontwerp, getiteld “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications, werd recentelijk gepresenteerd op het IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Het heroverwegen van de ontvanger

In een IoT‑apparaat fungeert een ontvanger als tussenpersoon tussen het apparaat en zijn omgeving. 

De taak van dit onderdeel is om draadloze signalen die door andere apparaten of sensoren worden uitgezonden te detecteren en te versterken, ruis en interferentie te filteren, en vervolgens die signalen om te zetten in digitale data voor verwerking. Dus ontvangers hebben een aanzienlijke impact op de connectiviteit van het IoT‑apparaat en op de batterijduur.

Bij het ontwerpen van ontvangers ligt de nadruk op laag stroomverbruik en compacte afmetingen. Ze moeten klein en licht genoeg zijn om in verschillende op batterijen werkende IoT‑apparaten te passen. Naast kosteneffectiviteit voor bredere adoptie moeten ontvangers ook compatibel zijn met verschillende communicatiestandaarden en -protocollen en een hoge selectiviteit hebben om ongewenste signalen in drukke omgevingen te filteren.

Typisch werken IoT‑ontvangers op vaste frequenties en gebruiken ze eenvoudige, goedkope enkelbandfilters om ruis te onderdrukken. Hoewel effectief, passen ze niet goed bij de voortdurende technologische ontwikkelingen.

Met de komst van de vijfde generatie (5G) mobiele netwerktechnologie krijgen we nu snellere snelheden, lagere latentie en een grotere capaciteit vergeleken met de voorganger.

Door apparaten met verminderde mogelijkheden mogelijk te maken die zowel energiezuiniger als betaalbaar zijn, opent 5G de deuren voor innovatieve IoT‑toepassingen. Dit betekent dat de volgende generatie IoT‑apparaten ontvangers nodig heeft die over een breed frequentiebereik kunnen opereren, terwijl ze economisch en energiezuinig zijn, wat “uiterst uitdagend” is.

Zoals Araei uitlegt:

“Nu moeten we niet alleen nadenken over het vermogen en de kosten van de ontvanger, maar ook over de flexibiliteit om tal van interferenties in de omgeving aan te pakken.”

Dit betekent dat ingenieurs niet kunnen vertrouwen op omvangrijke off‑chip filters, die gewoonlijk worden gebruikt in apparaten die over een breed frequentiebereik opereren, om de kosten, grootte en stroomverbruik van een IoT‑apparaat te verlagen.

Hoewel een netwerk van on‑capacitors met de mogelijkheid om ongewenste signalen te filteren een oplossing biedt, zijn ze gevoelig voor een speciaal soort ruis genaamd harmonische interferentie, die het team een paar jaar geleden heeft aangepakt.

In hun eerdere artikel, gepubliceerd in 2023, legden MIT‑onderzoekers de basis voor hun nieuwe ontvangerchip.

Destijds bouwden ze een switch‑capacitor netwerk om ongewenste harmonische signalen vroeg in de ontvangerketen aan te pakken. De ruis werd gefilterd voordat deze werd versterkt en omgezet in digitale bits voor verwerking.

Aangezien signaalinterferentie de apparaatprestaties vertraagt en batterijen leegtrekt, ligt de focus op het ontwerpen van apparaten die ongewenste signalen efficiënt kunnen blokkeren, een taak die bijzonder uitdagend is en nog verergerd wordt door de brede adoptie van 5G‑netwerken en toekomstige generaties draadloze communicatiesystemen die al in ontwikkeling zijn.

Om de noodzaak van omvangrijke en dure filters om een reeks signalen te blokkeren te elimineren, ontwikkelden de onderzoekers een circuitarchitectuur die ruis aan de ingang blokkeert zonder de prestaties te beïnvloeden.

“We zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van elektronische circuits en systemen die voldoen aan de eisen van 5G en toekomstige generaties draadloze communicatiesystemen.”

– Senior auteur Negar Reiskarimian, de X-Window Consortium Career Development Assistant Professor in EECS op dat moment

De ontvanger blokkeerde zelfs hoge‑vermogen interferentie zonder extra ruis in de signaalverwerking te introduceren. De chip behaalde ongeveer veertig keer betere prestaties bij het blokkeren van harmonische interferentie dan veel breedbandontvangers, zonder extra hardware of schakelingen, waardoor de chip makkelijker op schaal kan worden vervaardigd.
Volgens Reiskarimian, die ook een kernfaculteitslid is van de Microsystems Technology Laboratories:

“Bij het ontwerpen van onze circuits zoeken we inspiratie in andere domeinen, zoals digitale signaalverwerking en toegepaste elektromagnetica. Wij geloven in circuit‑elegantie en eenvoud en proberen multifunctionele hardware te ontwikkelen die geen extra stroom of chip‑oppervlakte vereist.”

De technische elegantie van de chip

MIT‑onderzoekers ontwikkelden de ontvangerchip met een mixer‑first architectuur. Hierbij wordt een radiofrequentiesignaal (RF) omgezet naar een lagere frequentie zodra het door het apparaat wordt ontvangen, voordat het wordt doorgegeven aan de omzetter.

Dit maakt een brede frequentie‑dekking mogelijk terwijl ruis die dicht bij de werkfrequentie ligt wordt gefilterd. Echter, mixer‑first ontvangers zijn gevoelig voor harmonische interferentie.
Harmonische interferentie ontstaat door signalen met frequenties hoger dan de werkfrequentie van het apparaat. Deze frequenties kunnen moeilijk te onderscheiden zijn van het oorspronkelijke signaal wanneer de conversietijd aanbreekt.

“Veel andere breedbandontvangers doen niets aan de harmonischen totdat het tijd is om te zien wat de bits betekenen. Ze doen het later in de keten, maar dit werkt niet goed als je hoogvermogen‑signalen op de harmonische frequenties hebt. In plaats daarvan willen we harmonischen zo snel mogelijk verwijderen om verlies van informatie te voorkomen.”

– Araei 

Dus, wat het team deed, was blok‑digitale filtering nemen en aanpassen aan het analoge domein met behulp van condensatoren.

Condensatoren worden opgeladen wanneer het signaal wordt ontvangen, en vervolgens worden ze uitgeschakeld om die lading vast te houden voor latere gegevensverwerking.

Deze condensatoren kunnen op veel verschillende manieren worden verbonden. Parallel schakelen is een manier die deze condensatoren in staat stelt de opgeslagen ladingen uit te wisselen, en hoewel dit harmonische interferentie kan aanpakken, leidt het tot signaalverlies. Een andere optie is het stapelen van condensatoren, maar op zichzelf is dit niet voldoende om weerstand tegen harmonische interferentie te bieden.

De oplossing was de condensatoren zeer nauwkeurig te rangschikken, waardoor het apparaat harmonische interferentie kon blokkeren zonder informatieverlies.

Het combineren van lading‑deling en condensator‑stapeling was nog niet eerder gedaan, totdat het team ontdekte dat het voordelig is wanneer beide simultaan worden toegepast. Zoals Araei opmerkte, ontdekten ze zelfs “hoe dit op een passieve manier binnen de mixer te doen zonder extra hardware, terwijl de signaalintegriteit behouden blijft en de kosten laag blijven.”

Bij het testen van het apparaat, waarbij een gewenst signaal en harmonische interferentie gelijktijdig werden verzonden, vonden de onderzoekers dat hun chip effectief harmonische signalen blokkeerde, met slechts een lichte vermindering van de signaalsterkte.

De chip kon daadwerkelijk signalen aan die veertig keer krachtiger waren dan die van eerdere, geavanceerde breedbandontvangers.

Klik hier om te leren hoe de weg naar 6G mogelijk wordt geplaveid met grafeen.

Naar schaalbare, energie‑opwekkende 5G‑apparaten

In het nieuwste onderzoek van deze maand hebben de MIT‑onderzoekers hun aanpak uitgebreid. Wat ze hebben gedaan, is het switch‑capacitor netwerk gebruiken als de terugkoppellus in een versterker met negatieve versterking. Deze specifieke configuratie maakt gebruik van het Miller‑effect.

Genaamd naar John Milton Miller, die het voor het eerst beschreef in 1920, beschrijft het Miller‑effect de situatie waarbij de capaciteit (het vermogen van een object om elektrische lading op te slaan) tussen de ingang en uitgang van een versterker (een elektronisch component dat zwakke elektrische signalen versterkt) zich gedraagt als een grotere capaciteit aan de ingang.

Het effect laat kleine condensatoren zich gedragen als veel grotere condensatoren.

“Deze truc stelt ons in staat te voldoen aan de filtereis voor narrow‑band IoT zonder fysiek grote componenten, wat de grootte van het circuit drastisch verkleint.”

– Araei 

De door de onderzoekers ontworpen ontvanger heeft een actief gebied van minder dan 0,05 vierkante millimeter. Er was één uitdaging die de onderzoekers moesten overwinnen, namelijk hoe voldoende spanning toe te passen om de schakelaars aan te drijven terwijl de algehele voedingsspanning van de chip laag bleef, namelijk slechts 0,6 volt.

Echter, als de spanning die nodig is voor schakelen te laag is, kunnen zulke kleine schakelaars onjuist aan- en uitgeschakeld worden wanneer er interfererende signalen aanwezig zijn. Hiervoor maakten de onderzoekers gebruik van een speciale circuitmethode.

De methode, bootstrap‑klokken genoemd, verhoogt de besturingsspanning voldoende om ervoor te zorgen dat de schakelaars nauwkeurig werken, terwijl minder stroom en minder elementen worden verbruikt dan conventionele klok‑boosttechnieken.

Alle innovaties samen stellen de nieuwe ontvanger in staat minder dan een milliwatt (mW) vermogen te gebruiken terwijl hij veel meer harmonische interferentie blokkeert dan conventionele IoT‑ontvangers. Volgens Araei:

“Onze chip is ook zeer stil, in de zin dat hij de luchtgolven niet verstoort. Dit komt doordat onze schakelaars zeer klein zijn, waardoor de hoeveelheid signaal die uit de antenne kan lekken ook zeer klein is.”

De prototype‑ontvanger (RX) is geïmplementeerd in 22‑nm volledig gedeplementeerd silicon‑on‑insulator (FD‑SOI) technologie, neemt 0,048 mm² in beslag en verbruikt tussen de 1,27‑5,48 mW. De ontvanger werkt over een frequentiebereik van 0,25‑3 GHz en behaalt een blocker 1‑dB compressiepunt (B1dB) van -3/-2 dBm bij respectievelijk de 3e/5e harmonischen. De lekstroom van de lokale oscillator (LO) bij de antennepoort toont ook superieure prestaties ten opzichte van state‑of‑the‑art ontwerpen, met een worst‑case van -73 dBm over het volledige frequentiebereik.

Doordat hij kleiner is dan conventionele apparaten, en omdat hij vertrouwt op vooraf opgeladen condensatoren en schakelaars in plaats van complexere elektronica, kan de ontvanger kosteneffectiever worden gefabriceerd.

Bovendien, doordat het ontwerp van de ontvanger een breed scala aan signaal‑frequenties kan dekken, kan hij worden geïmplementeerd in verschillende bestaande en toekomstige IoT‑apparaten.

Gedeeltelijk ondersteund door de National Science Foundation, hebben de onderzoekers het prototype ontwikkeld en streven nu naar een ontvanger die kan functioneren zonder een dedicated voedingsbron. Om de chip van stroom te voorzien, kunnen ze overwegen Bluetooth‑ of Wi‑Fi‑signalen uit de omgeving te benutten.

Investering in de markt voor analoge en mixed‑signal geïntegreerde schakelingen

Als het gaat om investeren in de sector, is een van de meest relevante bedrijven hier Analog Devices (ADI ). Een grote speler in analoge en mixed‑signal halfgeleiders, ontwikkelt ADI data‑converters, versterkers, radiofrequentie‑IC’s (RF‑IC’s), edge‑processors, energiebeheer en andere sensoren. Het investeert ook in energie‑efficiënte architecturen voor draadloze apparaten.

Analog Devices  

Als we kijken naar de marktprestaties van ADI‑aandelen, handelen ze momenteel op $234,68, een stijging van 10,46% YTD. De aandelen van het bedrijf genieten al meer dan een decennium van een positieve markttrend, met een recordhoogte van bijna $244 eerder dit jaar. Zelfs na een daling tot bijna $164 in april, samen met de brede markt, is het sindsdien mooi hersteld, met een positieve prestatie van ongeveer 42,5%.

Daarmee heeft het een EPS (TTM) van 3,67 en een P/E (TTM) van 64,03. Een dividendrendement van 1,69% wordt ook aan aandeelhouders aangeboden.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, rapporteerde Analog Devices een omzet van $2,64 miljard voor het fiscale tweede kwartaal van 2025, dat eindigde op 3 mei 2025. Met dubbele‑cijferige YoY‑groei in alle eindmarkten, had het bedrijf $3,9 miljard in operationele cash‑flow en een vrije cash‑flow van $3,3 miljard over de afgelopen twaalf maanden.

“ADI leverde een tweede‑kwartaalomzet en winst per aandeel boven het hoge einde van de guidance,” zei CEO Vincent Roche. “Tegen de achtergrond van wereldwijde handelsvolatiliteit weerspiegelt onze prestatie het voortdurende cyclische herstel, en de sterkte en veerkracht van ons businessmodel. Onze onwankelbare toewijding aan innovatie en klantensucces stelt ADI in staat onze leiderschap aan de steeds meer AI‑gedreven Intelligent Edge uit te breiden, en uitzonderlijke waarde voor aandeelhouders te leveren op zowel de korte als lange termijn.”

De verbeterde vraag die Analog Devices het afgelopen kwartaal registreerde, volgens CFO Richard Puccio, ondersteunt ook hun vooruitzicht voor voortdurende groei in het volgende kwartaal en versterkt hun visie dat “we ons in een cyclische opwaartse fase bevinden.”

Voor het derde kwartaal van het fiscale 2025 voorspellen ze een omzet van $2,75 miljard en een operationele marge van 27,2%. De EPS wordt verwacht rond $1,23.

Tijdens het tweede kwartaal keerde het bedrijf $0,7 miljard terug aan aandeelhouders via dividenden en terugkopen. Een kwartaaldividend van $0,99 per aandeel werd ook aangekondigd door de raad, dat op 18 juni 2025 zal worden betaald.

Dit dividend weerspiegelt een stijging van 8%, aangekondigd in februari dit jaar, wat 21 opeenvolgende jaren van hogere dividenden markeert. Tegelijkertijd kregen ze toestemming om nog eens $10 miljard aan eigen aandelen terug te kopen.

“Het veerkrachtige businessmodel van ADI en de staat van dienst in het leveren van winstgevende groei stelt ons in staat om 100% van de vrije cash‑flow op lange termijn terug te geven aan aandeelhouders.”

– Roche

Ondertussen lanceerde het bedrijf deze maand een corporate venture capital (CVC) fonds genaamd ADVentures (ADV) met als doel te investeren in opkomende kansen die nieuwe grenzen in innovatie en impact zullen definiëren.

De focus zal liggen op nieuwe ideeën die revolutionaire oplossingen ontwikkelen op het gebied van menselijke gezondheid, geavanceerde systemen & robotica, en klimaat & energie, met bijzondere interesse in gebieden zoals AI, computerarchitecturen, nieuwe sensormodaliteiten en veilige connectiviteit.

In januari dit jaar kreeg Analog Devices ook steun van het Amerikaanse ministerie van Handel, dat vier niet‑bindende contracten ondertekende, waarin het bedrijf tot $105 miljoen directe financiering zal ontvangen. De contracten maken deel uit van de CHIPS‑ en Science‑Act, bedoeld om de binnenlandse halfgeleiderindustrie te stimuleren.

Gericht op het mogelijk maken van innovatie aan de Intelligent Edge, zal de investering helpen bij het versterken van de personeelsopleiding en partnerschappen, evenals het beheer van de ecologische voetafdruk.

Laatste nieuws en ontwikkelingen rond Analog Devices (ADI) aandelen

Conclusie

Met de volgende generatie IoT‑apparaten die 5G‑technologie gebruiken, moeten ontvangers in staat zijn een breed frequentiebereik te verwerken met laag stroomverbruik en lage kosten.

Verbeterde ontvangertechnologie kan leiden tot betere connectiviteit, langere batterijduur en betrouwbaardere prestaties voor IoT‑apparaten, waardoor een breder scala aan toepassingen mogelijk wordt in gebieden zoals slimme woningen, industriële automatisering, gezondheidszorg en milieumonitoring.

Naarmate de vraag naar energie‑efficiënte, interferentie‑bestendige ontvangertechnologie cruciaal wordt, kan het compacte, energiezuinige ontvangerontwerp van MIT slimme apparaten helpen betere prestaties en meer functionaliteit te bereiken, wat leidt tot slimmere, kleinere en langer meegaan wearables en IoT‑apparaten voor een werkelijk verbonden wereld!

Klik hier om te leren hoe een nieuw energiesysteem draadloos opladen verbetert.