Новый набор микросхем для приемника 5G улучшит носимые устройства и устройства Интернета вещей

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали компактный маломощный чип-приемник для небольших интеллектуальных устройств 5G, обещая сделать их более эффективными и функциональными.

Приемник демонстрирует большую устойчивость к помехам. Этот новый чип фактически в тридцать раз более устойчив к гармоническим помехам, чем некоторые из существующих беспроводных приемников.

Кроме того, чип может позволить устройствам работать дольше, предоставляя им увеличенный срок службы батареи. Это делает новый приемник идеальным для работающих от батареи Интернет вещей (IoT) Такие устройства, как интеллектуальные термостаты и датчики окружающей среды, а также интеллектуальные камеры, промышленные датчики мониторинга и носимые устройства, должны работать в течение длительных периодов времени.

Ключевая инновационная конструкция приемника, наряду с его пассивным механизмом фильтрации, позволяет устройствам потреблять менее милливатт (одной тысячной ватта) статической мощности. Это не только экономит энергию, но и предотвращает глушение устройств, защищая как вход, так и выход усилителя приемника от нежелательных сигналов.

Еще один новый подход, принятый исследователями здесь, включает в себя новое расположение стекированных конденсаторов, которые предварительно заряжены. Эти конденсаторы также соединены сетью крошечных переключателей, которые требуют значительно меньше энергии для включения и выключения, чем обычные, используемые в приемниках IoT.

Усилитель и конденсаторная сеть приемника тщательно скомпонованы с учетом явления усиления, которое позволяет микросхеме использовать гораздо меньшие конденсаторы, чем обычно требуется.

Это означает, что интеллектуальные устройства, такие как носимые устройства и датчики, можно сделать меньше, но при этом увеличить время работы батареи, отметил ведущий автор статьи Соруш Араи, аспирант факультета электротехники и компьютерных наук (EECS) Массачусетского технологического института.

Более того, эти устройства будут более надежными в переполненных радиосредах, таких как сети умных городов или заводские цеха. В целом, «приемник может помочь расширить возможности гаджетов IoT», сказал Араи.

Статья о новой конструкции приемника, названная «Подавляющий гармоники N-трактовой приемник с усилением и самонастройкой тактовой частоты для приложений Интернета вещей, был недавно представлен на симпозиуме IEEE по радиочастотным интегральным схемам.

Переосмысление получателя

В устройстве Интернета вещей приемник выполняет роль посредника между устройством и его средой. 

Задача этого компонента — обнаруживать и усиливать беспроводные сигналы, передаваемые другими устройствами или датчиками, отфильтровывать любые шумы и помехи, а затем преобразовывать эти сигналы в цифровые данные для обработки. Таким образом, приемники оказывают значительное влияние на подключение устройства IoT, а также на срок службы его батареи.

При проектировании приемников основное внимание уделяется работе с низким энергопотреблением и компактным размерам. Они должны быть достаточно маленькими и легкими, чтобы соответствовать различным устройствам IoT с питанием от батареи. Помимо экономической эффективности для более широкого внедрения, приемники также должны быть совместимы с различными стандартами и протоколами связи и иметь высокую селективность для фильтрации нежелательных сигналов в многолюдных местах.

Обычно приемники IoT работают на фиксированных частотах и ​​используют простые, недорогие однополосные фильтры для подавления шума. Несмотря на свою эффективность, они не работают с текущими технологическими достижениями.

С появлением технологии сотовой связи пятого поколения (5G) мы получаем более высокую скорость, меньшую задержку и большую емкость по сравнению с предыдущей версией. 

Обеспечивая устройства с ограниченными возможностями, которые одновременно более энергоэффективны и доступны по цене, 5G открывает двери для инновационных приложений IoT. Это означает, что следующему поколению устройств IoT потребуются приемники с возможностью работы в широком диапазоне частот, будучи при этом экономичными и энергоэффективными, что «чрезвычайно сложно».

Как объяснил Араи:

«Теперь нам нужно думать не только о мощности и стоимости приемника, но и о гибкости для устранения многочисленных помех, существующих в окружающей среде».

Это означает, что инженеры не могут полагаться на громоздкие внешние фильтры, обычно используемые в устройствах, работающих в широком диапазоне частот, чтобы снизить стоимость, размер и энергопотребление устройства IoT.

Хотя сеть включенных конденсаторов с возможностью фильтрации нежелательных сигналов предлагает решение, они восприимчивы к особому виду шума, называемому гармоническими помехами, с которым группа столкнулась пару лет назад.

В своей предыдущей статье, опубликованной в 2023 году, исследователи Массачусетского технологического института заложили основу для своего нового чипа-приемника.

В то время они построили сеть переключателей-конденсаторов для устранения нежелательных гармонических сигналов на ранней стадии приемной цепи. Шум отфильтровывался до того, как усиливался и преобразовывался в цифровые биты для обработки.

Поскольку помехи сигнала снижают производительность устройств и разряжают аккумуляторы, основное внимание уделяется разработке устройств, способных эффективно блокировать нежелательные сигналы. Эта задача является особенно сложной и еще больше усугубляется широким внедрением сетей 5G и будущих поколений систем беспроводной связи, которые уже находятся в стадии разработки.

Чтобы устранить необходимость в громоздких и дорогих фильтрах для блокировки ряда сигналов, исследователи разработали архитектуру схемы, которая блокирует шум на входе, не влияя на ее производительность.

«Мы заинтересованы в разработке электронных схем и систем, которые отвечают требованиям 5G и будущих поколений систем беспроводной связи».

– Старший автор Негар Рейскаримян, в то время доцент кафедры развития карьеры Консорциума X-Window в EECS

Приемник даже блокировал мощные помехи, не внося больше шума в обработку сигнала. Чип достиг примерно в сорок раз лучшей производительности при блокировании гармонических помех, чем многие широкополосные приемники, без необходимости в каком-либо дополнительном оборудовании или схемах, что упростило производство чипа в масштабе.

По словам Рейскаримяна, который также является одним из основных преподавателей Лабораторий микросистемных технологий:

«При проектировании наших схем мы ищем вдохновение в других областях, таких как цифровая обработка сигналов и прикладная электродинамика. Мы верим в элегантность и простоту схем и стараемся создать многофункциональное оборудование, которое не требует дополнительного питания и площади чипа». 

Инженерная элегантность чипа

Исследователи MIT разработали чип приемника, используя архитектуру mixer-first. Здесь радиочастотный (РЧ) сигнал преобразуется в сигнал с более низкой частотой после получения устройством, прежде чем он передается на преобразователь.

Это позволяет охватить широкий диапазон частот, отфильтровывая шум, близкий к рабочей частоте. Однако приемники с первым микшером подвержены гармоническим помехам.

Гармонические помехи возникают из-за сигналов с частотами, превышающими рабочую частоту устройства. Эти частоты может быть трудно отличить от исходного сигнала, когда приходит время преобразования.

«Многие другие широкополосные приемники ничего не делают с гармониками, пока не настанет время посмотреть, что означают биты. Они делают это позже в цепочке, но это не работает хорошо, если у вас есть мощные сигналы на гармонических частотах. Вместо этого мы хотим удалить гармоники как можно скорее, чтобы избежать потери информации».

– Араи 

Итак, команда взяла блочную цифровую фильтрацию и адаптировала ее к аналоговой области с помощью конденсаторов.

Конденсаторы заряжаются при получении сигнала, а затем выключаются, чтобы сохранить заряд для последующей обработки данных.

Эти конденсаторы могут быть соединены множеством различных способов. Параллельное соединение — один из способов, который позволяет этим конденсаторам обмениваться накопленными зарядами, и хотя это может устранить гармонические помехи, это заканчивается потерей сигнала. Другой вариант — стекирование конденсаторов, но само по себе этого недостаточно для обеспечения устойчивости к гармоническим помехам.

Решением стало очень точное расположение конденсаторов, что позволило устройству блокировать гармонические помехи, но без потери информации.

Ранее совместное использование распределения заряда и стекирования конденсаторов не применялось, пока команда не обнаружила, что это выгодно при одновременном использовании. Как отметил Араи, они даже «нашли, как сделать это пассивным способом в микшере без использования какого-либо дополнительного оборудования, сохраняя при этом целостность сигнала и снижая затраты».

При тестировании устройства, которое включало одновременную отправку полезного сигнала и гармонических помех, исследователи обнаружили, что их чип эффективно блокирует гармонические сигналы, при этом наблюдалось лишь небольшое снижение мощности сигнала. 

Чип фактически мог обрабатывать сигналы, которые были в 40 раз мощнее, чем предыдущие, усовершенствованные широкополосные приемники.

Нажмите здесь, чтобы узнать, как графен может проложить путь к 6G.

На пути к масштабируемым устройствам 5G, собирающим энергию

В последнем исследовании этого месяца ученые Массачусетского технологического института расширили свой подход. Они использовали цепь переключателя-конденсатора в качестве пути обратной связи в усилителе с отрицательным коэффициентом усиления. Эта конкретная конфигурация использует эффект Миллера.

Эффект Миллера, названный в честь Джона Мильтона Миллера, впервые описавшего его в 1920 году, описывает ситуацию, когда емкость (способность объекта хранить электрический заряд) между входом и выходом усилителя (электронного компонента, который увеличивает силу слабых электрических сигналов) проявляется как большая емкость на входе. 

Этот эффект позволяет небольшим конденсаторам вести себя как гораздо более крупные конденсаторы.

«Этот прием позволяет нам удовлетворить требования к фильтрации для узкополосного Интернета вещей без использования физически больших компонентов, что значительно сокращает размер схемы».

– Араи 

Разработанный исследователями приемник имеет активную площадь менее 0.05 квадратных миллиметров. Исследователям пришлось преодолеть одну проблему: решить, как подать достаточное напряжение для управления переключателями, сохранив при этом общее напряжение питания чипа на низком уровне — всего 0.6 вольт.

Однако если напряжение, необходимое для переключения, слишком низкое, такие крошечные переключатели могут включаться и выключаться по ошибке при наличии мешающих сигналов. Для этого исследователи использовали специальный метод схемы.

Метод, называемый бутстреп-тактированием, достаточно увеличивает управляющее напряжение, чтобы гарантировать точную работу переключателей, потребляя при этом меньше энергии и используя меньше элементов, чем обычные методы повышения тактовой частоты.

Все эти инновации в совокупности позволяют новому приемнику использовать мощность менее милливатт (мВт), блокируя при этом гораздо больше гармонических помех, чем обычные приемники IoT. По словам Араеи:

«Наш чип также очень тихий, с точки зрения того, что он не загрязняет эфир. Это происходит из-за того, что наши переключатели очень малы, поэтому количество сигнала, которое может просочиться из антенны, также очень мало». 

Прототип приемника (RX) реализован в 22-нм полностью обедненной технологии кремний-на-изоляторе (FD-SOI), занимая 0.048 мм² и потребляя мощность в диапазоне 1.27-5.48 мВт. Приемник работает в диапазоне частот 0.25-3 ГГц и достигает точки компрессии блокировщика 1 дБ (B1dB) -3/-2 дБм на 3-й/5-й гармониках соответственно. Утечка гетеродина (LO) в порту антенны также показывает превосходные характеристики по сравнению с современными конструкциями, с наихудшим случаем -73 дБм во всем диапазоне частот.

Благодаря меньшим размерам по сравнению с обычными устройствами, а также использованию предварительно заряженных конденсаторов и переключателей вместо более сложной электроники, приемник может оказаться более рентабельным в производстве. 

Кроме того, поскольку конструкция приемника позволяет охватывать широкий диапазон частот сигнала, его можно внедрить на различных существующих и будущих устройствах Интернета вещей.

Частично поддержанные Национальным научным фондом, исследователи разработали прототип и теперь стремятся сделать так, чтобы их приемник работал без специального источника питания. Для питания чипа они могут рассмотреть возможность использования сигналов Bluetooth или Wi-Fi из окружающей среды.

Инвестиции в рынок аналоговых и смешанных интегральных схем

Когда дело доходит до инвестирования в сектор, одна из наиболее подходящих компаний для изучения здесь — Analog Devices. Крупный игрок в аналоговых и смешанных полупроводниках, ADI разрабатывает преобразователи данных, усилители, радиочастотные (РЧ) ИС, периферийные процессоры, управление питанием и другие датчики. Он также инвестирует в энергоэффективные архитектуры для беспроводных устройств.

Аналоговые устройства (ADI -0.02%) 

Если мы посмотрим на рыночные показатели акций ADI, то в настоящее время они торгуются по $234.68, что на 10.46% выше с начала года. Акции компании на самом деле демонстрируют позитивную рыночную тенденцию уже более десяти лет, а цены достигли исторического максимума почти в $244 в начале этого года. Даже после падения почти до $164 в апреле вместе с широким рынком, с тех пор они неплохо восстановились, зафиксировав положительный результат около 42.5%.

При этом EPS (TTM) составляет 3.67, а P/E (TTM) — 64.03. Компания также предлагает своим акционерам дивидендную доходность в размере 1.69%.

Что касается финансовых показателей компании, Analog Devices сообщила о выручке в размере 2.64 млрд долларов США за второй финансовый квартал 2025 года, который закончился 3 мая 2025 года. При двузначном росте в годовом исчислении, зафиксированном на всех рынках сбыта, компания имела операционный денежный поток в размере 3.9 млрд долларов США и свободный денежный поток в размере 3.3 млрд долларов США по итогам двенадцати месяцев.

«ADI показала доход и прибыль на акцию во втором квартале выше верхнего предела прогноза», — сказал генеральный директор Винсент Рош. «На фоне глобальной торговой волатильности наши результаты отражают продолжающееся циклическое восстановление, а также прочность и устойчивость нашей бизнес-модели. Наша непоколебимая приверженность инновациям и успеху клиентов позволяет ADI продолжать укреплять наше лидерство в Intelligent Edge, все больше ориентированном на ИИ, обеспечивая исключительную ценность для акционеров как в краткосрочной, так и в долгосрочной перспективе».

По словам финансового директора Ричарда Пуччио, улучшение спроса, зафиксированное Analog Devices в прошлом квартале, также подтверждает прогноз компании относительно дальнейшего роста в следующем квартале и подтверждает ее мнение о том, что «мы находимся в состоянии циклического подъема».

На третий квартал 2025 финансового года они прогнозируют выручку в размере 2.75 млрд долларов США и операционную маржу в размере 27.2%. Ожидается, что EPS составит около 1.23 доллара США.

Тем временем во втором квартале компания вернула акционерам $0.7 млрд через дивиденды и выкупы. Совет директоров также объявил о квартальных денежных дивидендах в размере $0.99 за акцию, которые будут выплачены 18 июня 2025 года.

Эти дивиденды отражают 8%-ный рост, объявленный в феврале этого года, что ознаменовало 21 год подряд более высоких дивидендов. В то же время они получили разрешение на выкуп дополнительных 10 миллиардов долларов своих обыкновенных акций.

«Устойчивая бизнес-модель ADI и ее опыт обеспечения прибыльного роста позволяют нам возвращать акционерам 100% свободного денежного потока в долгосрочной перспективе».

– Рош

Между тем, в этом месяце компания запустила корпоративный венчурный фонд (CVC) под названием ADVentures (ADV) с целью инвестирования в появляющиеся возможности, которые определят новые горизонты инноваций и влияния.

Основное внимание будет уделено новым идеям, разрабатывающим революционные решения в области здравоохранения, передовых систем и робототехники, а также климата и энергетики, с особым интересом к таким областям, как ИИ, вычислительная архитектура, новые методы обнаружения и безопасная связь.

В январе этого года Analog Devices также получила поддержку от Министерства торговли США, которое подписало четыре необязывающих контракта, по которым оно предоставит компании до 105 миллионов долларов прямого финансирования. Контракты являются частью Закона о CHIPS и науке, призванного стимулировать отечественную полупроводниковую промышленность.

Инвестиции, направленные на внедрение инноваций в Intelligent Edge, помогут компании улучшить обучение персонала и партнерские отношения, а также снизить воздействие на окружающую среду.

Последние новости и разработки компании Analog Devices (ADI)

Заключение

Поскольку устройства Интернета вещей следующего поколения будут использовать технологию 5G, приемники должны иметь возможность работать в широком диапазоне частот с низким энергопотреблением и стоимостью. 

Усовершенствованная технология приемника может обеспечить лучшую связь, более длительный срок службы батареи и более надежную работу устройств Интернета вещей, что, в свою очередь, позволит расширить спектр их применения в таких областях, как умные дома, промышленная автоматизация, здравоохранение и мониторинг окружающей среды.

Поскольку спрос на энергоэффективные, устойчивые к помехам приемники становится критически важным, компактная конструкция приемника с низким энергопотреблением от Массачусетского технологического института может помочь интеллектуальным устройствам достичь более высокой производительности и расширения функциональных возможностей, что приведет к созданию более интеллектуальных, компактных и долговечных носимых устройств и устройств Интернета вещей для по-настоящему взаимосвязанного мира!

Нажмите здесь, чтобы узнать, как новая система питания улучшает беспроводную зарядку.