El nuevo conjunto de chips de receptor 5G para impulsar los dispositivos wearables y de IoT

Los investigadores del MIT han diseñado un chip de receptor compacto y de baja potencia 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 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 tiempo 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 dispositivos wearables que requieren funcionar durante períodos prolongados.

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

Otro enfoque novedoso adoptado por los investigadores aquí implica una nueva disposición de condensadores apilados que se precargan. Estos condensadores también están conectados por una red de pequeños interruptores que requieren significativamente menos potencia para encenderse y apagarse que los habituales utilizados en receptores de IoT.

Tanto el amplificador como la red de condensadores del receptor se disponen cuidadosamente para aprovechar un fenómeno en la amplificación que permite que el chip utilice condensadores mucho más pequeños de lo que normalmente se requiere.

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

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

El documento sobre el nuevo diseño del receptor, llamado “Un receptor N-Path de ganancia mejorada con supresión de armónicos y arranque de reloj para aplicaciones de IoT”, se presentó recientemente en el Simposio de Circuitos Integrados de Radiofrecuencia de la IEEE.

Reconsiderando el receptor

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

La tarea de este componente es detectar y amplificar las señales inalámbricas transmitidas por otros dispositivos o sensores, filtrar cualquier ruido y 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 de IoT y su vida útil de la batería.

Al diseñar receptores, un enfoque clave es la operación de baja potencia y el tamaño compacto. Deben ser lo suficientemente pequeños y livianos como para caber en varios dispositivos de IoT alimentados por batería. Además de la rentabilidad para una adopción más amplia, los receptores también deben ser compatibles con diferentes estándares y protocolos de comunicación y tener una alta selectividad para filtrar señales no deseadas en entornos congestionados.

Normalmente, los receptores de IoT operan en frecuencias fijas y utilizan filtros de banda estrecha simples y económicos para suprimir el ruido. Si bien son efectivos, no funcionan con los avances tecnológicos en curso.

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

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

Como explicó Araei:

“Ahora debemos pensar no solo 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 externos voluminosos, que normalmente se utilizan en dispositivos que operan en un amplio rango de frecuencias, para reducir el costo, el tamaño y el consumo de energía de un dispositivo de IoT.

Si bien una red de condensadores con la 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 documento anterior, publicado en 2023, los investigadores del MIT sentaron las bases para su chip de receptor innovador.

En ese momento, construyeron una red de conmutador-condensador para abordar las señales no deseadas armónicas al comienzo de la cadena del receptor. El ruido se filtró antes de que se amplificara y se convirtiera en bits digitales para su procesamiento.

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

Para eliminar la necesidad de filtros voluminosos y costosos para bloquear un rango 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 cumplan con las demandas del 5G y las futuras generaciones de sistemas de comunicación inalámbrica”.

– La autora principal Negar Reiskarimian, la profesora asistente de carrera de desarrollo de la X-Window Consortium en EECS en ese momento

El receptor incluso bloqueó la interferencia de alta potencia sin introducir más ruido en el procesamiento de la señal. El chip logró un rendimiento aproximadamente cuarenta veces mejor en la supresión de interferencia armónica que muchos receptores de banda ancha, sin necesidad de hardware o circuitos adicionales, lo que lo hace más fácil de fabricar a escala.

Según Reiskarimian, quien también es miembro principal de la facultad de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas:

“Al diseñar nuestros circuitos, buscamos inspiración en otros dominios, como el procesamiento de señales digitales y la electromagnética aplicada. Creemos en la elegancia y la simplicidad del circuito y tratamos de crear hardware multifuncional que no requiera potencia y área de chip adicionales”.

La elegancia de ingeniería del chip

Los investigadores del MIT desarrollaron el chip de receptor utilizando una arquitectura de mezcla 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 un amplio rango de frecuencias mientras se filtra el ruido que está cerca de la frecuencia de operación. Sin embargo, los receptores de mezcla primero son propensos a la interferencia armónica.

La interferencia armónica resulta de señales con frecuencias más altas que la frecuencia de operación del dispositivo. Estas frecuencias pueden ser difíciles de distinguir de la señal original cuando llega el momento de la conversión.

“Muchos otros receptores de banda ancha no hacen nada sobre las armónicas hasta que es hora de ver qué significan los bits. Lo hacen más tarde en la cadena, pero esto no funciona bien si se tienen señales de alta potencia en las frecuencias armónicas. En cambio, queremos eliminar las armónicas lo antes posible para evitar perder información”.

– Araei

Así que lo que hizo el equipo fue tomar el filtrado digital de bloqueo y adaptarlo al dominio analógico utilizando condensadores.

Los condensadores se cargan cuando se recibe la señal, y luego se apagan para mantener esa carga para el procesamiento de datos posterior.

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

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

Utilizar el intercambio de cargas y el apilamiento de condensadores 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 manera pasiva dentro del mezclador sin utilizar hardware adicional mientras se mantiene la integridad de la señal y se reducen los costos”.

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

El chip incluso pudo manejar señales que eran cuarenta veces más potentes que los receptores de banda ancha avanzados anteriores.

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Hacia dispositivos 5G escalables y de recolección de energía

En la investigación más reciente de este mes, los investigadores del MIT extendieron su enfoque.

Lo que han hecho es utilizar la red de conmutador-condensador como la ruta de realimentación en un amplificador con ganancia negativa. Esta configuración en particular aprovecha el efecto Miller.

Nombrado por 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 las señales eléctricas débiles) parece como una capacitancia más grande en la entrada.

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

“Este truco nos permite cumplir con el requisito de filtrado para la banda estrecha de IoT 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.

Hubo un desafío que los investigadores tuvieron que superar, y fue decidir cómo aplicar el voltaje suficiente para impulsar los interruptores mientras mantenían el suministro de energía general del chip en solo 0,6 voltios.

Sin embargo, si el voltaje necesario para la conmutación es demasiado bajo, estos interruptores pequeños pueden encenderse y apagarse por error cuando hay señales de interferencia presentes. Para esto, los investigadores utilizaron un método de circuito especial.

El método llamado arranque de reloj de refuerzo mejora el voltaje de control lo suficiente para asegurarse de que los interruptores funcionen con precisión mientras consumen menos energía y menos elementos que las técnicas de refuerzo de reloj convencionales.

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

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

El receptor de prototipo (RX) se implementa en tecnología de silicio sobre aislante (FD-SOI) de 22 nm, ocupa 0,048 mm² y consume una potencia 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 las armónicas 3ª y 5ª, respectivamente. La fuga de oscilador local (LO) en el puerto de la antena también muestra un rendimiento superior en comparación con los diseños de vanguardia, con un rendimiento peor de -73 dBm en todo el rango de frecuencia.

Debido a que es más pequeño que los dispositivos convencionales, y depende de condensadores precargados y conmutadores en lugar de electrónica más compleja, el receptor podría ser más rentable para fabricar.

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

Con el apoyo parcial de la Fundación Nacional de Ciencia, los investigadores han desarrollado el prototipo y ahora apuntan a permitir que su receptor funcione sin un suministro de energía dedicado. Para alimentar el chip, pueden buscar utilizar señales de Bluetooth o Wi-Fi del entorno.

Inversión en el mercado de circuitos integrados analógicos y de señal mixta

Al invertir en el sector, una de las empresas más relevantes para explorar aquí es Analog Devices. Un jugador 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 de energía eficiente para dispositivos inalámbricos.

Analog Devices (ADI )

Si miramos el rendimiento del mercado de las acciones de ADI, están negociando actualmente a $234,68, con un aumento del 10,46% en lo que va del año. Las acciones de la empresa han disfrutado de una tendencia de mercado positiva durante más de una década, con precios que alcanzaron un máximo histórico de casi $244 a principios de este año. Incluso después de experimentar un declive a casi $164 en abril junto con el mercado en general, ha recuperado bien, registrando un rendimiento positivo del 42,5%.

Con eso, tiene un EPS (TTM) de 3,67 y un P/E (TTM) de 64,03. La empresa también ofrece un rendimiento de dividendos del 1,69% a sus accionistas.

En cuanto a las finanzas de la empresa, Analog Devices informó 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 en todos los mercados finales, la empresa tuvo $3.9 mil millones en flujo de efectivo operativo y un flujo de efectivo libre de $3.3 mil millones en una base de doce meses.

“ADI entregó ingresos y beneficios por acción en el segundo trimestre por encima del límite superior de la guía”, dijo el CEO Vincent Roche. “Frente a un telón de fondo de volatilidad comercial global, nuestro desempeño refleja la recuperación cíclica en curso y la fuerza y la resiliencia de nuestro modelo de negocio. Nuestro compromiso inquebrantable con la innovación y el éxito del cliente nos permite continuar extendiendo nuestro liderazgo en el Borde Inteligente cada vez más impulsado por IA, brindando un valor excepcional para los accionistas en el corto y largo plazo”.

La demanda mejorada registrada por Analog Devices este trimestre pasado, según el CFO Richard Puccio, también respalda su perspectiva de crecimiento continuo en el próximo trimestre y refuerza su visión de que “estamos en una recuperación cíclica”.

Para el tercer trimestre del año fiscal 2025, están previendo ingresos de $2.75 mil millones y una margen de operación del 27,2%. Se espera que el EPS sea de alrededor de $1,23.

Durante el segundo trimestre, mientras tanto, la empresa devolvió $0,7 mil millones a los accionistas a través de dividendos y recompras. También se anunció un dividendos trimestral de $0,99 por acción, que se pagará el 18 de junio de 2025.

Este dividendos refleja un aumento del 8%, anunciado en febrero de este año, lo que marca 21 años consecutivos de dividendos más altos. 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 crecimiento rentable nos permiten devolver el 100% del flujo de efectivo libre a los accionistas a largo plazo”.

– Roche

Mientras tanto, este mes, la empresa 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 y impacto.

El enfoque estará en ideas nacientes que desarrollan soluciones revolucionarias en Salud Humana, Sistemas y Robótica Avanzados, y Clima y Energía, con un interés particular en áreas como la IA, las arquitecturas de computación, las nuevas modalidades de detección y la conectividad segura.

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

Centrada en la innovación en el Borde Inteligente, la inversión ayudará a fortalecer su capacitación de la fuerza laboral y las asociaciones, así como a gestionar su huella ambiental.

Últimas noticias y desarrollos de las acciones de Analog Devices (ADI)

Conclusión

Con los dispositivos de IoT de próxima generación que utilizan la tecnología 5G, los receptores necesitan ser capaces de manejar un amplio rango de frecuencias con un bajo consumo de energía y costo. La tecnología de receptor mejorada aquí puede conducir a una mejor conectividad, una vida útil de la batería más larga y un rendimiento más confiable para los dispositivos de IoT, lo que a su vez permite una mayor variedad de aplicaciones en áreas como hogares inteligentes, automatización industrial, atención médica y monitoreo ambiental.

A medida que la demanda de tecnología de receptor eficiente en términos de energía y resistente a la interferencia se vuelve crítica, el diseño de receptor compacto y de baja potencia del MIT puede ayudar a los dispositivos inteligentes a lograr un mejor rendimiento y una funcionalidad aumentada, lo que conduce a dispositivos wearables y de IoT más inteligentes, más pequeños y más duraderos para un mundo verdaderamente interconectado.

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