Den nya 5G‑mottagarchippet som ska förbättra bärbara enheter och IoT‑enheter

Forskare från MIT har designat ett kompakt, lågströms mottagarchipp för mindre 5G‑smart enheter, med löfte att göra dem mer effektiva och funktionella.

Mottagaren visar stor motståndskraft mot störningar. Detta nya chip är faktiskt upp till trettio gånger mer motståndskraftigt mot harmonisk interferens än vissa befintliga trådlösa mottagare.

Dessutom kan chipet göra att enheter varar längre genom att ge dem ökad batteritid. Detta gör den nya mottagaren perfekt för batteridrivna Internet of Things (IoT)-enheter såsom smarta termostater och miljösensorer, samt smarta kameror, industriella övervakningssensorer och bärbara enheter som måste fungera under längre perioder.

Den nyckelinnovativa designen av mottagaren, tillsammans med dess passiva filtreringsmekanism, gör att enheter förbrukar mindre än en milliwatt (en tusendel av en watt) statisk effekt. Det sparar inte bara energi, utan förhindrar också att enheter störs genom att skydda både ingången och utgången på mottagarens förstärkare från oönskade signaler.

Ytterligare ett nytt tillvägagångssätt som forskarna här har tagit innebär en ny arrangemang av staplade kondensatorer som är förladdade. Dessa kondensatorer är också anslutna via ett nätverk av små switchar som kräver betydligt mindre energi för att slå på och av än de vanliga som används i IoT‑mottagare.

Både förstärkaren och kondensatornätverket i mottagaren är noggrant arrangerade för att utnyttja ett fenomen i förstärkning som tillåter chipet att använda mycket mindre kondensatorer än vad som vanligtvis krävs.

Detta innebär att smarta enheter som bärbara enheter och sensorer kan göras mindre samtidigt som de får längre batteritid, noterade papperets huvudförfattare, Soroush Araei, som är doktorand i elektroteknik och datavetenskap (EECS) vid MIT.

Dessutom kommer dessa enheter att vara mer pålitliga i trånga radiomiljöer som smarta stadnätverk eller fabriksgolv. Sammantaget, ”mottagaren kan hjälpa till att expandera kapaciteten hos IoT‑gadgets,” sade Araei.

Papperet om den nya mottagardesignen, kallat “A Harmonic-Suppressing Gain-Boosted N-Path Receiver with Clock Bootstrapping for IoT Applications, presenterades nyligen på IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.

Ompröva mottagaren

I en IoT‑enhet fungerar en mottagare som en mellanhand mellan enheten och dess omgivning. 

Uppgiften för denna komponent är att upptäcka och förstärka trådlösa signaler som sänds av andra enheter eller sensorer, filtrera bort brus och störningar, och sedan konvertera dessa signaler till digital data för bearbetning. Så har mottagare en betydande inverkan på IoT‑enhetens anslutning samt dess batteritid.

När man designar mottagare är ett huvudfokus låg strömförbrukning och kompakt storlek. De måste vara små och lätta nog att passa i olika batteridrivna IoT‑enheter. Förutom kostnadseffektivitet för bredare antagande, måste mottagare också vara kompatibla med olika kommunikationsstandarder och protokoll samt ha hög selektivitet för att filtrera bort oönskade signaler i trånga miljöer.

Vanligtvis arbetar IoT‑mottagare på fasta frekvenser och använder enkla, billiga enkelfrekvensfilter för att undertrycka brus. Även om de är effektiva, fungerar de inte riktigt med den pågående tekniska utvecklingen.

Med framväxten av femte generationens (5G) mobilnätverk får vi nu snabbare hastigheter, lägre latens och ökad kapacitet jämfört med föregångaren.

Genom att möjliggöra enheter med reducerad kapacitet som både är mer energieffektiva och prisvärda, öppnar 5G dörrarna för innovativa IoT‑applikationer. Detta betyder att nästa generation av IoT‑enheter behöver mottagare som kan fungera över ett brett frekvensområde samtidigt som de är ekonomiska och energieffektiva, vilket är “extremt utmanande.”

Som Araei förklarade:

“Nu måste vi inte bara tänka på mottagarens kraft och kostnad, utan också på flexibiliteten för att hantera de många interferenser som finns i miljön.”

Detta betyder att ingenjörer inte kan förlita sig på skrymmande externa filter, som vanligtvis används i enheter som arbetar över ett brett frekvensområde, för att sänka kostnad, storlek och strömförbrukning i en IoT‑enhet.

Medan ett nätverk av on‑kondensatorer med förmåga att filtrera oönskade signaler erbjuder en lösning, är de mottagliga för en speciell typ av brus som kallas harmonisk interferens, vilket teamet adresserade för några år sedan.

I deras tidigare papper, publicerat 2023, lade MIT‑forskare grunden för deras nya mottagarchip.

Vid den tidpunkten byggde de ett switch‑kondensatornätverk för att tidigt i mottagningskedjan adressera de oönskade harmoniska signalerna. Bruset filtrerades bort innan de förstärktes och konverterades till digitala bitar för bearbetning.

Med signalinterferens som saktar ner enhetens prestanda och tömmer batterierna, fokuseras det på att designa enheter som kan blockera oönskade signaler effektivt, en uppgift som är särskilt utmanande och ytterligare förvärras av den omfattande antagandet av 5G‑nätverk och framtida generationer av trådlösa kommunikationssystem som redan utvecklas.

För att ta bort behovet av skrymmande och dyra filter för att blockera ett spektrum av signaler, utvecklade forskarna en kretsarkitektur som blockerar brus vid ingången utan att påverka dess prestanda.

“Vi är intresserade av att utveckla elektroniska kretsar och system som möter kraven från 5G och framtida generationer av trådlösa kommunikationssystem.”

– Seniorförfattare Negar Reiskarimian, X-Window Consortium Career Development Assistant Professor i EECS vid den tiden

Mottagaren blockerade till och med hög effektinterferens utan att föra in mer brus i signalbehandlingen. Chipet uppnådde ungefär fyrtio gånger bättre prestanda vid blockering av harmonisk interferens än många bredbandsmottagare, utan att behöva någon extra hårdvara eller krets, vilket underlättar massproduktion av chipet.
According to Reiskarimian, who’s also a core faculty member of the Microsystems Technology Laboratories:

“När vi designar våra kretsar söker vi inspiration från andra områden, såsom digital signalbehandling och tillämpad elektromagnetik. Vi tror på kretsens elegans och enkelhet och försöker skapa multifunktionell hårdvara som inte kräver extra kraft och chiparea.”

Kretsens ingenjörselégans

MIT-forskare utvecklade mottagarchippet med en mixer‑först‑arkitektur. Här omvandlas en radiofrekvens (RF)-signal till en lägre frekvenssignal när den tas emot av enheten, innan den skickas vidare till omvandlaren.

Detta möjliggör täckning av ett brett frekvensområde samtidigt som brus som ligger nära driftfrekvensen filtreras bort. Dock är mixer‑först‑mottagare benägna till harmonisk interferens.
Harmonisk interferens uppstår från signaler med frekvenser högre än enhetens driftfrekvens. Dessa frekvenser kan vara svåra att skilja från den ursprungliga signalen när konverteringstiden kommer.

“Många andra bredbandsmottagare gör ingenting åt harmoniska komponenter förrän det är dags att se vad bitarna betyder. De gör det senare i kedjan, men detta fungerar inte bra om du har hög effekt på de harmoniska frekvenserna. Istället vill vi ta bort harmoniska signaler så snart som möjligt för att undvika informationsförlust.”

– Araei 

Så, vad teamet gjorde var att ta blockdigital filtrering och anpassa den till den analoga domänen med hjälp av kondensatorer.

Kondensatorer laddas upp när signalen tas emot, och sedan stängs de av för att hålla den laddningen för senare databehandling.

Dessa kondensatorer kan anslutas på många olika sätt. Att ansluta dem parallellt är ett sätt som möjliggör att dessa kondensatorer kan utbyta de lagrade laddningarna, och medan detta kan hantera harmonisk interferens, leder det till signalförlust. Ett annat alternativ är att stapla kondensatorer, men i sig är det inte tillräckligt för att ge motståndskraft mot harmonisk interferens.

Lösningen var att arrangera kondensatorerna på ett mycket precist sätt, vilket gjorde att enheten kunde blockera harmonisk interferens utan någon informationsförlust.

Att använda laddningsdelning och kondensatorstapling tillsammans hade inte gjorts tidigare, tills teamet fann att det var fördelaktigt när det gjordes samtidigt. Som Araei noterade, de ”upptäckte hur man gör detta på ett passivt sätt inom mixern utan att använda någon extra hårdvara samtidigt som signalintegriteten bevaras och kostnaderna hålls låga.”

Vid testning av enheten, som innebar att skicka en önskad signal och harmonisk interferens samtidigt, fann forskarna att deras chip var effektivt för att blockera harmoniska signaler, med endast en liten minskning av signalstyrkan.

Chipet kunde faktiskt hantera signaler som var 40 gånger kraftfullare än tidigare avancerade bredbandsmottagare.

Klicka här för att lära dig hur vägen till 6G kan bana med grafen.

Mot skalbara, energihämtande 5G‑enheter

I den senaste forskningen från denna månad utökade MIT‑forskarna sitt tillvägagångssätt. Vad de har gjort är att använda switch‑kondensatornätverket som återkopplingsväg i en förstärkare med negativ förstärkning. Denna specifika konfiguration utnyttjar Miller‑effekten.

Namngiven efter John Milton Miller, som först beskrev den 1920, beskriver Miller‑effekten situationen där kapacitansen (objektets förmåga att lagra elektrisk laddning) mellan ingång och utgång på en förstärkare (en elektronisk komponent som ökar styrkan på svaga elektriska signaler) framträder som en större kapacitans vid ingången. 

Effekten gör att små kondensatorer beter sig som mycket större kondensatorer.

“Detta knep låter oss uppfylla filtreringskravet för smalbandig IoT utan fysiskt stora komponenter, vilket kraftigt minskar kretsens storlek.”

– Araei 

Mottagaren som forskarna designade har ett aktivt område på mindre än 0,05 kvadratmillimeter. En utmaning som forskarna var tvungna att övervinna var att bestämma hur man applicerar tillräckligt spänning för att driva switcharna samtidigt som chipets totala strömförsörjning hålls låg, endast 0,6 volt.

Dock, om spänningen som behövs för switchning är för låg, kan så små switchar slå på och av felaktigt när störande signaler finns närvarande. För detta använde forskarna en speciell kretsmetod.

Metoden som kallas bootstrap‑klockning förstärker kontrollspänningen tillräckligt för att säkerställa att switcharna fungerar exakt samtidigt som den förbrukar mindre kraft och färre komponenter än konventionella klockförstärkningsmetoder.

Alla innovationer tillsammans möjliggör att den nya mottagaren använder mindre än en milliwatt (mW) samtidigt som den blockerar mycket mer harmonisk interferens än konventionella IoT‑mottagare. Enligt Araei:

“Vårt chip är också mycket tyst, i den meningen att det inte förorenar luftvågor. Detta beror på att våra switchar är mycket små, så mängden signal som kan läcka ut från antennen är också mycket liten.” 

Prototypmottagaren (RX) är implementerad i 22‑nm fullständigt uttömt kisel‑på‑isolator (FD‑SOI) teknik, upptar 0,048 mm² och förbrukar mellan 1,27‑5,48 mW. Mottagaren arbetar över ett frekvensområde på 0,25‑3 GHz och uppnår blockerings‑1 dB komprimeringspunkt (B1dB) på -3/-2 dBm vid respektive 3:e/5:e harmoniska. Lokalt oscillator‑läckage (LO) vid antennporten visar också överlägsen prestanda jämfört med toppmoderna designer, med ett värsta fall på -73 dBm över hela frekvensområdet.

På grund av att den är mindre i storlek än konventionella enheter, samt att den förlitar sig på förladdade kondensatorer och switchar istället för mer komplex elektronik, kan mottagaren vara mer kostnadseffektiv att tillverka. 

Dessutom, med mottagarens design som kan täcka ett brett spektrum av signalfrekvenser, kan den implementeras i en mängd befintliga och framtida IoT‑enheter.

Stödd delvis av National Science Foundation har forskarna utvecklat prototypen och siktar nu på att möjliggöra att deras mottagare kan fungera utan en dedikerad strömförsörjning. För att driva chipet kan de undersöka att utnyttja Bluetooth‑ eller Wi‑Fi‑signaler från omgivningen.

Investering i marknaden för analoga och mixed‑signal integrerade kretsar

När det gäller investeringar i sektorn är ett av de mest relevanta företagen att utforska här Analog Devices (ADI ). En stor aktör inom analoga och mixed‑signal halvledare, ADI utvecklar dataomvandlare, förstärkare, radiofrekvens (RF) ICs, edge‑processorer, kraftförvaltning och andra sensorer. De investerar också i energieffektiva arkitekturer för trådlösa enheter.

Analog Devices  

Om vi tittar på ADI:s aktiemarknadsprestationer handlas de för närvarande till $234,68, upp 10,46 % YTD. Företagets aktier har faktiskt haft en positiv marknadstrend i mer än ett decennium, med priser som nådde ett historiskt maximum på nästan $244 tidigare i år. Även efter en nedgång till nästan $164 i april tillsammans med den breda marknaden, har de återhämtat sig väl och registrerat en positiv avkastning på cirka 42,5 %.

Med detta har de ett EPS (TTM) på 3,67 och ett P/E (TTM) på 64,03. En utdelningsavkastning på 1,69 % erbjuds också av företaget till sina aktieägare.

När det gäller företagets finanser rapporterade Analog Devices en omsättning på $2,64 miljarder för sitt finansiella andra kvartal 2025, som avslutades den 3 maj 2025. Med tvåsiffrig år‑till‑år‑tillväxt i alla slutmarknader hade företaget $3,9 miljarder i operativt kassaflöde och fritt kassaflöde på $3,3 miljarder på en rullande tolvmånadersbasis.

“ADI levererade andra kvartalets omsättning och vinst per aktie över den övre delen av vägledningen,” sade VD Vincent Roche. “Mot bakgrund av global handelsvolatilitet speglar vår prestation den pågående cykliska återhämtningen, samt styrkan och motståndskraften i vår affärsmodell. Vårt orubbliga engagemang för innovation och kundframgång gör att ADI kan fortsätta att utöka vårt ledarskap på den alltmer AI‑drivna Intelligent Edge, och leverera exceptionellt värde för aktieägarna både på kort och lång sikt.”

Den förbättrade efterfrågan som registrerats av Analog Devices under föregående kvartal, enligt CFO Richard Puccio, stödjer också deras utsikter för fortsatt tillväxt nästa kvartal och förstärker deras syn ”att vi är i en cyklisk uppgång.”

För det tredje kvartalet 2025 prognostiserar de en omsättning på $2,75 miljarder och en operativ marginal på 27,2 %. EPS förväntas ligga omkring $1,23.

Under det andra kvartalet återbetalade företaget $0,7 miljarder till aktieägarna genom utdelningar och återköp. En kvartalsvis kontantutdelning på $0,99 per aktie annonserades också av styrelsen, som kommer att betalas den 18 juni 2025.

Denna utdelning speglar en ökning på 8 % som annonserades i februari i år, vilket markerade 21 på varandra följande år med högre utdelningar. Samtidigt fick de godkännande att återköpa ytterligare $10 miljarder av sina stamaktier.

“ADI:s motståndskraftiga affärsmodell och meritlista för att leverera lönsam tillväxt möjliggör vår återbäring av 100 % av fritt kassaflöde till aktieägarna på lång sikt.”

– Roche

Under den här månaden lanserade företaget ett corporate venture capital (CVC)-fond kallad ADVentures (ADV) med målet att investera i framväxande möjligheter som kommer definiera nya fronter inom innovation och påverkan.

Fokus kommer att ligga på tidiga idéer som utvecklar revolutionerande lösningar inom mänsklig hälsa, avancerade system & robotik, samt klimat & energi, med särskilt intresse för områden som AI, beräkningsarkitekturer, nya sensormodaliteter och säker anslutning.

I januari i år säkrade Analog Devices också stöd från USA:s handelsdepartement, som undertecknade fyra icke‑bindande kontrakt, enligt vilka de kommer att tillhandahålla upp till $105 miljoner i direkt finansiering till företaget. Kontrakten är en del av CHIPS and Science Act, avsedd att stärka den inhemska halvledarindustrin.

Fokuserad på att möjliggöra innovation vid Intelligent Edge, kommer investeringen att hjälpa dem att stärka sin arbetskraftsutbildning och partnerskap samt hantera sitt miljöavtryck.

Senaste nyheter och utvecklingar för Analog Devices (ADI)-aktier

Slutsats

Med nästa generations IoT‑enheter som ska använda 5G‑teknik måste mottagare kunna hantera ett brett spektrum av frekvenser med låg energiförbrukning och kostnad.

Förbättrad mottagarteknik här kan leda till bättre anslutning, längre batteritid och mer pålitlig prestanda för IoT‑enheter, vilket i sin tur möjliggör ett bredare spektrum av tillämpningar inom områden som smarta hem, industriell automation, sjukvård och miljöövervakning.

När efterfrågan på energieffektiv, interferensresistent mottagarteknik blir kritisk, kan MIT:s kompakta, lågströms mottagardesign hjälpa smarta enheter att uppnå bättre prestanda och ökad funktionalitet, vilket leder till smartare, mindre och längre hållbara wearables och IoT‑enheter för en verkligt sammankopplad värld!

Klicka här för att lära dig hur ett nytt kraftsystem förbättrar trådlös laddning.