O Novo Chip Receptor 5G Destinado a Impulsionar Dispositivos Wearables e IoT

Pesquisadores do MIT projetaram um chip receptor compacto e de baixo consumo para dispositivos inteligentes 5G menores, prometendo torná-los mais eficientes e funcionais.

O receptor demonstra grande resistência à interferência. Este novo chip é, na verdade, até trinta vezes mais resiliente à interferência harmônica do que alguns dos receptores sem fio existentes.

Além disso, o chip pode permitir que os dispositivos durem mais, proporcionando maior vida útil da bateria. Isso torna o novo receptor perfeito para dispositivos alimentados por bateria da Internet das Coisas (IoT), como termostatos inteligentes e sensores ambientais, bem como câmeras inteligentes, sensores de monitoramento industrial e wearables que precisam operar por períodos prolongados.

O design inovador chave do receptor, juntamente com seu mecanismo de filtragem passiva, permite que os dispositivos consumam menos de um miliwatt (uma milésima de watt) de energia estática. Não só economiza energia, mas também impede o bloqueio do dispositivo ao proteger tanto a entrada quanto a saída do amplificador do receptor contra sinais indesejados.

Outra abordagem inovadora adotada pelos pesquisadores aqui envolve um novo arranjo de capacitores empilhados que são pré-carregados. Esses capacitores também são conectados por uma rede de pequenos interruptores que requerem significativamente menos energia para ligar e desligar do que os usuais usados em receptores IoT.

Tanto o amplificador quanto a rede de capacitores do receptor são organizados cuidadosamente para aproveitar um fenômeno na amplificação que permite que o chip use capacitores muito menores do que normalmente seria necessário.

Isso significa que dispositivos inteligentes como wearables e sensores podem ser feitos menores enquanto têm vidas de bateria mais longas, observou o autor principal do artigo, Soroush Araei, que é estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) no MIT.

Além disso, esses dispositivos serão mais confiáveis em ambientes de rádio lotados, como redes de cidades inteligentes ou fábricas. No geral, “o receptor poderia ajudar a expandir as capacidades dos gadgets IoT”, disse Araei.

O artigo sobre o novo design de receptor, intitulado “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications”, foi apresentado recentemente no IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Repensando o Receptor

Em um dispositivo IoT, um receptor desempenha o papel de intermediário entre o dispositivo e seu ambiente. 

A tarefa desse componente é detectar e amplificar sinais sem fio transmitidos por outros dispositivos ou sensores, filtrar ruídos e interferências, e então converter esses sinais em dados digitais para processamento. Assim, os receptores têm um impacto significativo na conectividade do dispositivo IoT, bem como na vida da bateria.

Ao projetar receptores, o foco principal está na operação de baixo consumo e tamanho compacto. Eles precisam ser pequenos e leves o suficiente para se encaixar em diversos dispositivos IoT alimentados por bateria. Além da relação custo-benefício para adoção mais ampla, os receptores também precisam ser compatíveis com diferentes padrões e protocolos de comunicação e ter alta seletividade para filtrar sinais indesejados em ambientes congestionados.

Tipicamente, receptores IoT operam em frequências fixas e utilizam filtros de banda estreita simples e baratos para suprimir ruído. Embora eficazes, eles não acompanham os avanços tecnológicos em curso.

Com o advento da tecnologia de rede celular de quinta geração (5G), agora temos velocidades mais rápidas, latência menor e capacidade aumentada em comparação com sua predecessora. 

Ao possibilitar dispositivos de capacidade reduzida que são mais eficientes em energia e acessíveis, o 5G está abrindo portas para aplicações inovadoras de IoT. Isso significa que a próxima geração de dispositivos IoT precisa de receptores capazes de operar em uma ampla faixa de frequência, sendo econômicos e eficientes em energia, o que é “extremamente desafiador”.

Como Araei explicou:

“Agora precisamos não apenas pensar no consumo de energia e custo do receptor, mas também na flexibilidade para lidar com inúmeros interferentes que existem no ambiente.”

Isso significa que engenheiros não podem depender de filtros volumosos fora do chip, normalmente usados em dispositivos que operam em uma ampla faixa de frequência, para reduzir custo, tamanho e consumo de energia de um dispositivo IoT.

Embora uma rede de capacitores internos com capacidade de filtrar sinais indesejados ofereça uma solução, eles são suscetíveis a um tipo especial de ruído chamado interferência harmônica, que a equipe abordou há alguns anos.

Em seu artigo anterior, publicado em 2023, pesquisadores do MIT estabeleceram a base para seu chip receptor inovador.

Na época, eles construíram uma rede de capacitor comutado para tratar os sinais harmônicos indesejados logo no início da cadeia do receptor. O ruído foi filtrado antes de ser amplificado e convertido em bits digitais para processamento.

Com a interferência de sinal desacelerando o desempenho do dispositivo e drenando as baterias, o foco está em projetar dispositivos que possam bloquear sinais indesejados de forma eficiente, tarefa particularmente desafiadora e ainda mais agravada pela adoção generalizada de redes 5G e futuras gerações de sistemas de comunicação sem fio já em desenvolvimento.

Para eliminar a necessidade de filtros volumosos e caros para bloquear uma gama de sinais, os pesquisadores desenvolveram uma arquitetura de circuito que bloqueia o ruído na entrada sem afetar seu desempenho.

“Estamos interessados em desenvolver circuitos e sistemas eletrônicos que atendam às exigências do 5G e das futuras gerações de sistemas de comunicação sem fio.”

– Autora sênior Negar Reiskarimian, Professora Assistente de Desenvolvimento de Carreira do Consórcio X-Window em EECS na época

O receptor até bloqueou interferência de alta potência sem introduzir mais ruído no processamento de sinal. O chip alcançou cerca de quarenta vezes melhor desempenho ao bloquear interferência harmônica do que muitos receptores de banda larga, sem necessidade de hardware ou circuitos adicionais, facilitando a fabricação em escala.

“Ao projetar nossos circuitos, buscamos inspiração em outras áreas, como processamento digital de sinais e eletromagnetismo aplicado. Acreditamos na elegância e simplicidade dos circuitos e tentamos criar hardware multifuncional que não requer energia adicional nem área de chip.”

A Elegância de Engenharia do Chip

Pesquisadores do MIT desenvolveram o chip receptor usando uma arquitetura mixer-first. Aqui, um sinal de radiofrequência (RF) é convertido em um sinal de frequência mais baixa ao ser recebido pelo dispositivo, antes de ser passado para o conversor.

Isso permite cobertura de uma ampla faixa de frequência enquanto filtra ruídos próximos à frequência de operação. No entanto, receptores mixer-first são propensos à interferência harmônica.

A interferência harmônica resulta de sinais com frequências superiores à frequência de operação do dispositivo. Essas frequências podem ser difíceis de diferenciar do sinal original quando chega o momento da conversão.

“Muitos outros receptores de banda larga não fazem nada em relação aos harmônicos até o momento de interpretar os bits. Eles lidam com isso mais tarde na cadeia, mas isso não funciona bem se houver sinais de alta potência nas frequências harmônicas. Em vez disso, queremos remover os harmônicos o mais rápido possível para evitar perda de informação.”

– Araei 

Então, o que a equipe fez foi levar a filtragem digital em bloco e adaptá-la ao domínio analógico usando capacitores.

Os capacitores são carregados quando o sinal é recebido e, em seguida, são desligados para manter essa carga para o processamento de dados posterior.

Esses capacitores podem ser conectados de várias maneiras. Conectá-los em paralelo é uma forma que permite que esses capacitores troquem as cargas armazenadas e, embora isso possa combater a interferência harmônica, acaba resultando em perda de sinal. Outra opção é empilhar capacitores, mas por si só não é suficiente para proporcionar resiliência à interferência harmônica.

A solução foi organizar os capacitores de maneira muito precisa, o que permitiu ao dispositivo bloquear a interferência harmônica sem perda de informação.

Usar compartilhamento de carga e empilhamento de capacitores juntos não havia sido feito antes, até que a equipe descobriu que era benéfico quando realizado simultaneamente. Como Araei observou, eles até “descobriram como fazer isso de forma passiva dentro do mixer sem usar hardware adicional, mantendo a integridade do sinal e reduzindo custos.”

Ao testar o dispositivo, que envolveu enviar simultaneamente um sinal desejado e interferência harmônica, os pesquisadores descobriram que seu chip era eficaz ao bloquear sinais harmônicos, com apenas uma leve redução na força do sinal. 

O chip realmente conseguiu lidar com sinais 40 vezes mais poderosos do que os receptores avançados de banda larga anteriores.

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Rumo a Dispositivos 5G Escaláveis e de Colheita de Energia

Na pesquisa mais recente deste mês, os pesquisadores do MIT ampliaram sua abordagem. O que eles fizeram foi usar a rede de capacitor comutado como caminho de realimentação em um amplificador com ganho negativo. Essa configuração específica aproveita o efeito Miller.

Nomeado em homenagem a John Milton Miller, que o descreveu pela primeira vez em 1920, o efeito Miller descreve a situação em que a capacitância (a capacidade de um objeto armazenar carga elétrica) entre a entrada e a saída de um amplificador (um componente eletrônico que aumenta a força de sinais elétricos fracos) aparece como uma capacitância maior na entrada. 

O efeito permite que pequenos capacitores se comportem como capacitores muito maiores.

“Esse truque nos permite atender ao requisito de filtragem para IoT de banda estreita sem componentes fisicamente grandes, o que reduz drasticamente o tamanho do circuito.”

– Araei 

O receptor projetado pelos pesquisadores tem uma área ativa de menos de 0,05 milímetros quadrados. Houve um desafio que os pesquisadores tiveram que superar, que foi decidir como aplicar tensão suficiente para acionar os interruptores mantendo a alimentação geral do chip baixa, em apenas 0,6 volts.

Entretanto, se a tensão necessária para a comutação for muito baixa, esses interruptores minúsculos podem ligar e desligar erroneamente quando há sinais interferentes presentes. Para isso, os pesquisadores utilizaram um método de circuito especial.

O método chamado bootstrap clocking aumenta a tensão de controle o suficiente para garantir que os interruptores funcionem com precisão, consumindo menos energia e menos elementos do que as técnicas convencionais de aumento de clock.

Todas as inovações juntas permitem que o novo receptor use menos de um miliwatt (mW) de energia enquanto bloqueia muito mais interferência harmônica do que receptores IoT convencionais. Segundo Araei:

“Nosso chip também é muito silencioso, no sentido de não poluir as ondas de rádio. Isso decorre do fato de que nossos interruptores são muito pequenos, portanto a quantidade de sinal que pode vazar da antena também é muito pequena.”

O receptor protótipo (RX) é implementado em tecnologia de silício sobre isolante totalmente depletado de 22 nm (FD-SOI), ocupando 0,048 mm² e consumindo entre 1,27 e 5,48 mW. O receptor opera em uma faixa de frequência de 0,25 a 3 GHz e alcança ponto de compressão de bloqueio de 1 dB (B1dB) de -3/-2 dBm nos harmônicos 3º/5º, respectivamente. O vazamento do oscilador local (LO) na porta da antena também apresenta desempenho superior em comparação com designs de ponta, com pior caso de -73 dBm em toda a faixa de frequência.

Devido ao tamanho menor em comparação com dispositivos convencionais, além de depender de capacitores pré-carregados e interruptores em vez de eletrônicos mais complexos, o receptor pode ser mais econômico de fabricar. 

Além disso, com o design do receptor capaz de cobrir uma ampla gama de frequências de sinal, ele pode ser implementado em uma variedade de dispositivos IoT existentes e futuros.

Com apoio parcial da National Science Foundation, os pesquisadores desenvolveram o protótipo e agora visam permitir que seu receptor opere sem uma fonte de energia dedicada. Para alimentar o chip, eles podem explorar a utilização de sinais Bluetooth ou Wi‑Fi do ambiente.

Investimento no Mercado de Circuitos Integrados Analógicos e Misto-Sinal

Quando se trata de investir no setor, uma das empresas mais relevantes a explorar aqui é a Analog Devices (ADI ). Um grande player em semicondutores analógicos e misto-sinais, a ADI desenvolve conversores de dados, amplificadores, circuitos integrados de radiofrequência (RF), processadores de borda, gerenciamento de energia e outros sensores. Também investe em arquiteturas energeticamente eficientes para dispositivos sem fio.

Analog Devices  

Se observarmos o desempenho de mercado das ações da ADI, elas estão atualmente negociando a US$ 234,68, com alta de 10,46% no ano. As ações da empresa têm desfrutado de uma tendência de mercado positiva por mais de uma década, com preços atingindo um recorde histórico de quase US$ 244 no início deste ano. Mesmo após uma queda para quase US$ 164 em abril, junto com o mercado amplo, elas se recuperaram bem, registrando um desempenho positivo de cerca de 42,5%.

Com isso, possui um EPS (TTM) de 3,67 e um P/L (TTM) de 64,03. Também oferece um rendimento de dividendos de 1,69% aos acionistas.

Quanto às finanças da empresa, a Analog Devices reportou receita de US$ 2,64 bilhões para seu segundo trimestre fiscal de 2025, que terminou em 3 de maio de 2025. Com crescimento de dois dígitos YoY registrado em todos os mercados finais, a empresa teve fluxo de caixa operacional de US$ 3,9 bilhões e fluxo de caixa livre de US$ 3,3 bilhões em base de doze meses consecutivos.

“ADI entregou receita e lucro por ação do segundo trimestre acima do limite superior das orientações”, disse o CEO Vincent Roche. “Em meio à volatilidade do comércio global, nosso desempenho reflete a recuperação cíclica contínua e a força e resiliência do nosso modelo de negócios. Nosso compromisso inabalável com a inovação e o sucesso do cliente permite que a ADI continue a expandir nossa liderança na Edge Inteligente cada vez mais impulsionada por IA, entregando valor excepcional aos acionistas tanto no curto quanto no longo prazo.”

A demanda aprimorada registrada pela Analog Devices neste último trimestre, segundo o CFO Richard Puccio, também sustenta sua perspectiva de crescimento contínuo no próximo trimestre e reforça a visão de que “estamos em uma recuperação cíclica.”

Para o terceiro trimestre do exercício fiscal de 2025, eles preveem receita de US$ 2,75 bilhões e margem operacional de 27,2%. O EPS deve ficar em torno de US$ 1,23.

Durante o segundo trimestre, entretanto, a empresa devolveu US$ 0,7 bilhão aos acionistas por meio de dividendos e recompras. Um dividendo em dinheiro trimestral de US$ 0,99 por ação também foi anunciado pelo conselho, que será pago em 18 de junho de 2025.

Este dividendo reflete um aumento de 8%, anunciado em fevereiro deste ano, marcando 21 anos consecutivos de dividendos crescentes. Ao mesmo tempo, obtiveram autorização para recomprar US$ 10 bilhões adicionais de suas ações ordinárias.

“O modelo de negócios resiliente da ADI e o histórico de entrega de crescimento lucrativo permitem nosso retorno de 100% do fluxo de caixa livre aos acionistas a longo prazo.”

– Roche

Enquanto isso, neste mês, a empresa lançou um fundo de capital de risco corporativo (CVC) chamado ADVentures (ADV) com o objetivo de investir em oportunidades emergentes que definirão novas fronteiras em inovação e impacto.

O foco será em ideias nascentes que desenvolvem soluções revolucionárias em Saúde Humana, Sistemas Avançados & Robótica, e Clima & Energia, com interesse particular em áreas como IA, arquiteturas de computação, novas modalidades de sensoriamento e conectividade segura.

Em janeiro deste ano, a Analog Devices também garantiu apoio do Departamento de Comércio dos EUA, que assinou quatro contratos não vinculantes, pelos quais fornecerá até US$ 105 milhões em financiamento direto à empresa. Os contratos fazem parte da Lei CHIPS and Science, projetada para impulsionar a indústria doméstica de semicondutores.

Focada em habilitar a inovação na Edge Inteligente, o investimento ajudará a fortalecer o treinamento da força de trabalho e parcerias, bem como a gerenciar sua pegada ambiental.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Analog Devices (ADI)

Conclusão

Com dispositivos IoT de próxima geração utilizando a tecnologia 5G, os receptores precisam ser capazes de lidar com uma ampla gama de frequências com baixo consumo de energia e custo. 

A tecnologia de receptor aprimorada aqui pode levar a melhor conectividade, maior vida útil da bateria e desempenho mais confiável para dispositivos IoT, permitindo, por sua vez, uma gama mais ampla de aplicações em áreas como casas inteligentes, automação industrial, saúde e monitoramento ambiental.

À medida que a demanda por tecnologia de receptores eficientes em energia e resilientes à interferência se torna crítica, o design compacto e de baixo consumo do receptor do MIT pode ajudar dispositivos inteligentes a alcançar melhor desempenho e funcionalidade aumentada, levando a wearables e dispositivos IoT mais inteligentes, menores e de maior duração para um mundo verdadeiramente interconectado!

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