Informatik
Der neue 5G-Empfänger-Chipsatz soll Wearables und IoT-Geräte voranbringen
Forscher vom MIT haben einen kompakten, stromsparenden Empfängerchip für kleinere 5G-Smart-Geräte entwickelt, der verspricht, um sie effizienter und funktionaler zu machen.
Der Empfänger weist eine hohe Störfestigkeit auf. Dieser neue Chip ist tatsächlich bis zu dreißigmal widerstandsfähiger gegen harmonische Störungen als einige der vorhandenen drahtlosen Empfänger.
Darüber hinaus kann der Chip die Lebensdauer von Geräten verlängern, indem er ihnen eine längere Batterielaufzeit verleiht. Damit ist der neue Empfänger ideal für batteriebetriebene Internet der Dinge (IoT) Geräte wie intelligente Thermostate und Umweltsensoren sowie intelligente Kameras, industrielle Überwachungssensoren und Wearables, die über längere Zeiträume laufen müssen.
Das innovative Design des Empfängers und sein passiver Filtermechanismus ermöglichen es den Geräten, weniger als ein Milliwatt (ein Tausendstel Watt) statische Leistung zu verbrauchen. Dies spart nicht nur Energie, sondern verhindert auch Störungen, indem sowohl der Eingang als auch der Ausgang des Empfängerverstärkers vor unerwünschten Signalen geschützt werden.
Ein weiterer neuartiger Ansatz der Forscher besteht in der Anordnung gestapelter, vorgeladener Kondensatoren. Diese Kondensatoren sind zudem durch ein Netzwerk winziger Schalter miteinander verbunden, deren Ein- und Ausschalten deutlich weniger Strom benötigt als die üblichen Schalter in IoT-Empfängern.
Sowohl der Verstärker als auch das Kondensatornetzwerk des Empfängers sind sorgfältig angeordnet, um ein Verstärkungsphänomen auszunutzen, das es dem Chip ermöglicht, viel kleinere Kondensatoren zu verwenden, als normalerweise erforderlich sind.
Dies bedeutet, dass intelligente Geräte wie Wearables und Sensoren kleiner gemacht werden können und gleichzeitig eine längere Batterielebensdauer haben, bemerkte der Hauptautor des Artikels, Soroush Araei, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik (EECS) am MIT.
Darüber hinaus werden diese Geräte in stark frequentierten Funkumgebungen wie Smart-City-Netzwerken oder Fabrikhallen zuverlässiger sein. Insgesamt „könnte der Empfänger dazu beitragen, die Fähigkeiten von IoT-Geräten zu erweitern“, sagte Araei.
Das Papier über das neue Empfängerdesign mit dem Titel „Ein N-Pfad-Empfänger mit Oberwellenunterdrückung und Verstärkungsverstärkung mit Clock Bootstrapping für IoT-Anwendungen, wurde kürzlich auf dem IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium vorgestellt.
Den Empfänger neu denken
In einem IoT-Gerät übernimmt ein Empfänger die Rolle eines Vermittlers zwischen dem Gerät und seiner Umgebung.
Die Aufgabe dieser Komponente besteht darin, drahtlose Signale anderer Geräte oder Sensoren zu erkennen und zu verstärken, Rauschen und Störungen herauszufiltern und diese Signale anschließend zur Verarbeitung in digitale Daten umzuwandeln. Empfänger haben daher einen erheblichen Einfluss auf die Konnektivität des IoT-Geräts sowie auf dessen Akkulaufzeit.
Bei der Entwicklung von Empfängern liegt der Schwerpunkt auf niedrigem Stromverbrauch und kompakter Größe. Sie müssen klein und leicht genug sein, um in verschiedene batteriebetriebene IoT-Geräte zu passen. Neben der Kosteneffizienz für eine breitere Verbreitung müssen Empfänger auch mit verschiedenen Kommunikationsstandards und -protokollen kompatibel sein und eine hohe Selektivität aufweisen, um unerwünschte Signale in überfüllten Umgebungen herauszufiltern.
IoT-Empfänger arbeiten üblicherweise auf festen Frequenzen und nutzen einfache, kostengünstige Schmalbandfilter zur Rauschunterdrückung. Diese sind zwar effektiv, entsprechen aber nicht den aktuellen technologischen Fortschritten.
Mit dem Aufkommen der Mobilfunktechnologie der fünften Generation (5G) erhalten wir jetzt höhere Geschwindigkeiten, geringere Latenz und eine höhere Kapazität im Vergleich zum Vorgänger.
5G ermöglicht energieeffizientere und kostengünstigere Geräte mit reduzierter Kapazität und eröffnet damit innovative IoT-Anwendungen. Die nächste Generation von IoT-Geräten benötigt daher Empfänger, die über ein breites Frequenzspektrum hinweg operieren und gleichzeitig wirtschaftlich und energieeffizient sind – eine große Herausforderung.
Wie Araei erklärte:
„Jetzt müssen wir nicht nur an die Leistung und die Kosten des Empfängers denken, sondern auch an die Flexibilität, die wir brauchen, um auf die zahlreichen Störquellen in der Umgebung einzugehen.“
Dies bedeutet, dass Ingenieure sich nicht auf sperrige Off-Chip-Filter verlassen können, die normalerweise in Geräten verwendet werden, die in einem breiten Frequenzbereich arbeiten, um die Kosten, die Größe und den Stromverbrauch eines IoT-Geräts zu senken.
Ein Netzwerk von On-Capacitors mit der Fähigkeit, unerwünschte Signale zu filtern, bietet zwar eine Lösung, sie sind jedoch anfällig für eine besondere Art von Rauschen, die sogenannte harmonische Interferenz, mit der sich das Team vor einigen Jahren befasst hat.
In ihrer vorherigen Arbeit, die 2023 veröffentlicht wurde, legten MIT-Forscher den Grundstein für ihren neuartigen Empfängerchip.
Damals bauten sie ein Schaltkondensatornetzwerk, um die unerwünschten harmonischen Signale bereits früh in der Empfängerkette zu adressieren. Das Rauschen wurde herausgefiltert, bevor es verstärkt und zur Verarbeitung in digitale Bits umgewandelt wurde.
Da Signalstörungen die Leistung der Geräte beeinträchtigen und den Akku entladen, liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Geräten, die unerwünschte Signale effizient blockieren können. Diese Aufgabe ist besonders anspruchsvoll und wird durch die flächendeckende Einführung von 5G-Netzwerken und zukünftigen Generationen drahtloser Kommunikationssysteme, die sich bereits in der Entwicklung befinden, noch verschärft.
Um die Notwendigkeit sperriger und teurer Filter zum Blockieren einer Reihe von Signalen zu beseitigen, entwickelten die Forscher eine Schaltungsarchitektur, die Rauschen am Eingang blockiert, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
„Wir sind daran interessiert, elektronische Schaltkreise und Systeme zu entwickeln, die den Anforderungen von 5G und zukünftigen Generationen drahtloser Kommunikationssysteme gerecht werden.“
– Leitender Autor Negar Reiskarimian, damals Assistenzprofessor für Karriereentwicklung des X-Window Consortiums im EECS
Der Empfänger blockierte sogar Hochleistungsstörungen, ohne zusätzliches Rauschen in die Signalverarbeitung einzubringen. Der Chip erreichte eine etwa vierzigmal bessere Leistung bei der Blockierung harmonischer Störungen als viele Breitbandempfänger, ohne dass zusätzliche Hardware oder Schaltkreise erforderlich waren. Dies erleichterte die Herstellung des Chips in großem Maßstab.
Laut Reiskarimian, der auch ein Kernfakultätsmitglied der Microsystems Technology Laboratories ist:
„Bei der Entwicklung unserer Schaltungen lassen wir uns von anderen Bereichen inspirieren, beispielsweise der digitalen Signalverarbeitung und der angewandten Elektromagnetik. Wir glauben an die Eleganz und Einfachheit von Schaltungen und versuchen, multifunktionale Hardware zu entwickeln, die weder zusätzlichen Strom noch zusätzliche Chipfläche benötigt.“
Die technische Eleganz des Chips
Forscher des MIT entwickelten den Empfängerchip mit einer Mixer-First-Architektur. Dabei wird ein Hochfrequenzsignal (RF) nach dem Empfang durch das Gerät in ein niederfrequenteres Signal umgewandelt, bevor es an den Konverter weitergeleitet wird.
Dies ermöglicht eine breite Frequenzabdeckung und filtert gleichzeitig Rauschen heraus, das nahe der Betriebsfrequenz liegt. Mixer-First-Empfänger sind jedoch anfällig für harmonische Störungen.
Harmonische Störungen entstehen durch Signale mit Frequenzen, die höher sind als die Betriebsfrequenz des Geräts. Diese Frequenzen können bei der Konvertierung schwer vom Originalsignal zu unterscheiden sein.
Viele andere Breitbandempfänger berücksichtigen die Oberwellen erst, wenn die Bedeutung der Bits geklärt ist. Sie tun dies zwar später in der Kette, aber das funktioniert nicht gut, wenn die Signale bei den Oberwellenfrequenzen hohe Leistungen haben. Stattdessen wollen wir die Oberwellen so schnell wie möglich entfernen, um Informationsverluste zu vermeiden.
– Araei
Das Team hat sich also die digitale Blockfilterung zu eigen gemacht und sie mithilfe von Kondensatoren an den analogen Bereich angepasst.
Kondensatoren werden beim Empfang des Signals aufgeladen und dann ausgeschaltet, um die Ladung für die spätere Datenverarbeitung zu speichern.
Diese Kondensatoren können auf vielfältige Weise angeschlossen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, sie parallel zu schalten, um den Austausch der gespeicherten Ladungen zu ermöglichen. Dies kann zwar harmonische Störungen vermeiden, führt aber zu Signalverlust. Eine weitere Möglichkeit ist das Stapeln von Kondensatoren, was jedoch allein nicht ausreicht, um Widerstand gegen harmonische Störungen zu gewährleisten.
Die Lösung bestand in einer sehr präzisen Anordnung der Kondensatoren, die es dem Gerät ermöglichte, harmonische Störungen zu blockieren, ohne dass dabei Informationen verloren gingen.
Die gleichzeitige Nutzung von Ladungsverteilung und Kondensatorstapelung war bisher nicht möglich, bis das Team erkannte, dass die gleichzeitige Anwendung von Vorteil ist. Wie Araei bemerkte, fanden sie sogar heraus, wie dies passiv im Mischer ohne zusätzliche Hardware möglich ist, während die Signalintegrität erhalten bleibt und die Kosten niedrig gehalten werden.
Beim Testen des Geräts, bei dem gleichzeitig ein gewünschtes Signal und harmonische Störungen gesendet wurden, stellten die Forscher fest, dass ihr Chip harmonische Signale wirksam blockieren konnte und die Signalstärke nur geringfügig abnahm.
Der Chip konnte tatsächlich Signale verarbeiten, die 40-mal stärker waren als frühere, fortschrittlichere Breitbandempfänger.
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Auf dem Weg zu skalierbaren, energiegewinnenden 5G-Geräten
In der neuesten Studie dieses Monats haben die MIT-Forscher ihren Ansatz erweitert. Sie haben das Schaltkondensatornetzwerk als Rückkopplungspfad in einem Verstärker mit negativer Verstärkung verwendet. Diese spezielle Konfiguration nutzt den Miller-Effekt.
Der Miller-Effekt ist nach John Milton Miller benannt, der ihn 1920 erstmals beschrieb. Er beschreibt die Situation, in der die Kapazität (die Fähigkeit eines Objekts, elektrische Ladung zu speichern) zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines Verstärkers (eine elektronische Komponente, die die Stärke schwacher elektrischer Signale erhöht) als größere Kapazität am Eingang erscheint.
Der Effekt ermöglicht es kleinen Kondensatoren, sich wie weitaus größere Kondensatoren zu verhalten.
„Mit diesem Trick können wir die Filteranforderungen für Schmalband-IoT ohne physisch große Komponenten erfüllen, was die Größe der Schaltung drastisch reduziert.“
– Araei
Der von den Forschern entwickelte Empfänger verfügt über eine aktive Fläche von weniger als 0.05 Quadratmillimeter. Dabei mussten die Forscher eine Herausforderung bewältigen: Sie mussten herausfinden, wie sie genügend Spannung zum Ansteuern der Schalter anlegen und gleichzeitig die Gesamtstromversorgung des Chips auf nur 0.6 Volt beschränken konnten.
Ist die zum Schalten benötigte Spannung jedoch zu niedrig, können sich solche winzigen Schalter bei Vorhandensein von Störsignalen irrtümlich ein- und ausschalten. Forscher nutzten hierfür eine spezielle Schaltungstechnik.
Die als Bootstrap-Clocking bezeichnete Methode erhöht die Steuerspannung ausreichend, um sicherzustellen, dass die Schalter präzise arbeiten, und verbraucht dabei weniger Strom und weniger Elemente als herkömmliche Techniken zur Taktverstärkung.
Dank all dieser Innovationen verbraucht der neue Empfänger weniger als ein Milliwatt (mW) und blockiert gleichzeitig deutlich mehr harmonische Störungen als herkömmliche IoT-Empfänger. Laut Araei:
„Unser Chip ist außerdem sehr leise und verschmutzt die Funkwellen nicht. Das liegt daran, dass unsere Schalter sehr klein sind, sodass auch die Signalmenge, die aus der Antenne austreten kann, 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 in einem Frequenzbereich von 0.25 bis 3 GHz und erreicht einen Blocker-1-dB-Kompressionspunkt (B1dB) von -3/-2 dBm bei der 3./5. Harmonischen. Auch die Leckage des Lokaloszillators (LO) am Antennenanschluss zeigt im Vergleich zu modernsten Designs eine überlegene Leistung mit -73 dBm im Worst-Case-Fall über den gesamten Frequenzbereich.
Da der Empfänger kleiner als herkömmliche Geräte ist und auf vorgeladenen Kondensatoren und Schaltern statt auf komplexerer Elektronik basiert, könnte seine Herstellung kostengünstiger sein.
Da der Empfänger zudem ein breites Spektrum an Signalfrequenzen abdecken kann, kann er auf einer Vielzahl bestehender und zukünftiger IoT-Geräte implementiert werden.
Mit Unterstützung der National Science Foundation haben die Forscher den Prototyp entwickelt und wollen nun ihren Empfänger ohne separate Stromversorgung ausstatten. Zur Stromversorgung des Chips könnten Bluetooth- oder WLAN-Signale aus der Umgebung genutzt werden.
Investitionen in den Markt für analoge und Mixed-Signal-integrierte Schaltkreise
Wenn es um Investitionen in diesem Sektor geht, ist Analog Devices eines der wichtigsten Unternehmen. Als wichtiger Akteur im Bereich analoger und Mixed-Signal-Halbleiter entwickelt ADI Datenkonverter, Verstärker, Hochfrequenz-ICs (RF), Edge-Prozessoren, Energiemanagement und andere Sensoren. Darüber hinaus investiert das Unternehmen in energieeffiziente Architekturen für drahtlose Geräte.
Analoggeräte (ADI )
Betrachtet man die Marktentwicklung der ADI-Aktien, notieren sie aktuell bei 234.68 US-Dollar, ein Plus von 10.46 % seit Jahresbeginn. Die Aktien des Unternehmens verzeichnen seit über einem Jahrzehnt einen positiven Markttrend und erreichten Anfang des Jahres mit fast 244 US-Dollar ein Allzeithoch. Selbst nach einem Kurssturz auf fast 164 US-Dollar im April, der mit dem Gesamtmarkt einherging, hat sich der Kurs seitdem gut erholt und verzeichnet eine positive Performance von rund 42.5 %.
Damit liegt der Gewinn pro Aktie (EPS) bei 3.67 und das KGV (KGV) bei 64.03. Das Unternehmen bietet seinen Aktionären außerdem eine Dividendenrendite von 1.69 %.
Was die Finanzzahlen des Unternehmens betrifft, meldete Analog Devices für das zweite Geschäftsquartal 2.64, das am 2025. Mai 3 endete, einen Umsatz von 2025 Milliarden US-Dollar. Mit einem zweistelligen Wachstum im Vergleich zum Vorjahr in allen Endmärkten erzielte das Unternehmen einen operativen Cashflow von 3.9 Milliarden US-Dollar und einen freien Cashflow von 3.3 Milliarden US-Dollar auf Zwölfmonatsbasis.
„ADI erzielte im zweiten Quartal Umsatz und Gewinn pro Aktie über dem oberen Ende der Prognose“, sagte CEO Vincent Roche. „Vor dem Hintergrund der globalen Handelsvolatilität spiegelt unsere Leistung die anhaltende konjunkturelle Erholung sowie die Stärke und Robustheit unseres Geschäftsmodells wider. Unser unermüdliches Engagement für Innovation und Kundenerfolg ermöglicht es ADI, unsere Führungsposition im zunehmend KI-getriebenen Intelligent Edge weiter auszubauen und unseren Aktionären sowohl kurz- als auch langfristig einen außergewöhnlichen Mehrwert zu bieten.“
Die gestiegene Nachfrage, die Analog Devices im vergangenen Quartal verzeichnete, unterstützt laut CFO Richard Puccio auch ihre Aussicht auf anhaltendes Wachstum im nächsten Quartal und bekräftigt ihre Ansicht, „dass wir uns in einem konjunkturellen Aufschwung befinden“.
Für das dritte Quartal des Geschäftsjahres 2025 prognostizieren sie einen Umsatz von 2.75 Milliarden US-Dollar und eine operative Marge von 27.2 %. Der Gewinn pro Aktie wird voraussichtlich bei etwa 1.23 US-Dollar liegen.
(ADI )
Im zweiten Quartal schüttete das Unternehmen 0.7 Milliarden US-Dollar durch Dividenden und Aktienrückkäufe an die Aktionäre aus. Der Vorstand kündigte außerdem eine vierteljährliche Bardividende von 0.99 US-Dollar pro Aktie an, die am 18. Juni 2025 ausgezahlt wird.
Diese Dividende entspricht einer im Februar dieses Jahres angekündigten Erhöhung um 8 %. Damit wurde das 21. Jahr in Folge mit höheren Dividenden markiert. Gleichzeitig erhielt das Unternehmen die Genehmigung, weitere Stammaktien im Wert von 10 Milliarden US-Dollar zurückzukaufen.
„Das robuste Geschäftsmodell von ADI und seine Erfolgsbilanz bei der Erzielung profitablen Wachstums ermöglichen es uns, unseren Aktionären langfristig 100 % des freien Cashflows zurückzuzahlen.“
– Roche
In der Zwischenzeit hat das Unternehmen in diesem Monat einen Corporate Venture Capital (CVC)-Fonds namens ADVentures (ADV) aufgelegt, mit dem Ziel, in neue Möglichkeiten zu investieren, die neue Grenzen in Bezug auf Innovation und Wirkung definieren.
Der Schwerpunkt liegt auf den entstehenden Ideen zur Entwicklung revolutionärer Lösungen in den Bereichen menschliche Gesundheit, fortschrittliche Systeme und Robotik sowie Klima und Energie, mit besonderem Interesse an Bereichen wie KI, Computerarchitekturen, neuen Sensormodalitäten und sicherer Konnektivität.
Im Januar dieses Jahres sicherte sich Analog Devices zudem die Unterstützung des US-Handelsministeriums. Das Ministerium unterzeichnete vier unverbindliche Verträge, die dem Unternehmen bis zu 105 Millionen US-Dollar an Direktfinanzierungen gewähren. Die Verträge sind Teil des CHIPS and Science Act, der die heimische Halbleiterindustrie fördern soll.
Die Investition konzentriert sich auf die Förderung von Innovationen am Intelligent Edge und wird dem Unternehmen dabei helfen, die Schulung seiner Belegschaft und Partnerschaften zu stärken sowie seinen ökologischen Fußabdruck zu verringern.
Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Aktie Analog Devices (ADI)
Fazit
Da IoT-Geräte der nächsten Generation die 5G-Technologie nutzen, müssen die Empfänger in der Lage sein, ein breites Frequenzspektrum bei geringem Stromverbrauch und geringen Kosten zu verarbeiten.
Eine verbesserte Empfängertechnologie kann hier zu besserer Konnektivität, längerer Akkulaufzeit und zuverlässigerer Leistung von IoT-Geräten führen und so ein breiteres Anwendungsspektrum in Bereichen wie Smart Home, industrieller Automatisierung, Gesundheitswesen und Umweltüberwachung ermöglichen.
Da die Nachfrage nach energieeffizienter, störungsunempfindlicher Empfängertechnologie immer größer wird, kann das kompakte, stromsparende Empfängerdesign des MIT dazu beitragen, dass intelligente Geräte eine bessere Leistung und erweiterte Funktionalität erreichen, was zu intelligenteren, kleineren und langlebigeren Wearables und IoT-Geräten für eine wirklich vernetzte Welt führt!
