El chip receptor pequeño utiliza condensadores apilados para bloquear la interferencia en dispositivos 5G IoT

Los investigadores del MIT han diseñado un receptor compacto de baja potencia para dispositivos inteligentes compatibles con 5G que es aproximadamente 30 veces más resistente a un cierto tipo de interferencia que algunos receptores inalámbricos tradicionales.

El receptor de bajo costo sería ideal para dispositivos de Internet de las cosas (IoT) con baterías como sensores ambientales, termostatos inteligentes u otros dispositivos que necesitan funcionar continuamente durante mucho tiempo, como dispositivos portátiles de salud, cámaras inteligentes o sensores de monitoreo industrial.

El chip de los investigadores utiliza un mecanismo de filtrado pasivo que consume menos de un miliwatio de potencia estática mientras protege tanto la entrada como la salida del amplificador del receptor de señales inalámbricas no deseadas que podrían atascar el dispositivo.

La clave del nuevo enfoque es un arreglo novedoso de condensadores apilados y precargados, que están conectados por una red de pequeños interruptores. Estos interruptores minúsculos necesitan mucha menos potencia para encender y apagar que los que se usan típicamente en receptores IoT.

La red y el amplificador del condensador del receptor están cuidadosamente organizados para aprovechar un fenómeno en la amplificación que permite que el chip use condensadores mucho más pequeños de lo que típicamente sería necesario.

“Este receptor podría ayudar a expandir las capacidades de los dispositivos IoT. Los dispositivos inteligentes como los monitores de salud o los sensores industriales podrían volverse más pequeños y tener una vida de batería más larga. También serían más confiables en entornos de radio concurridos, como pisos de fábrica o redes de ciudades inteligentes”, dice Soroush Araei, un estudiante graduado de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) en el MIT y el autor principal de un artículo en el receptor.

Mohammad Barzgari se une en el documento, un postdoc en el Laboratorio de Investigación del MIT de Electrónica (RLE); Haibo Yang, un estudiante graduado de las CEE; y el autor senior Negar Reiskarimian, profesor asistente de desarrollo profesional del consorcio X-Window en EECS en el MIT y miembro de los Microsystems Technology Laboratories y RLE. La investigación se presentó recientemente en el Simposio de circuitos integrados de radiofrecuencia IEEE.

Un nuevo estándar

Un receptor actúa como intermediario entre un dispositivo IoT y su entorno. Su trabajo es detectar y amplificar una señal inalámbrica, filtrar cualquier interferencia y luego convertirla en datos digitales para su procesamiento.

Tradicionalmente, los receptores IoT operan con frecuencias fijas y suprimen la interferencia utilizando un solo filtro de banda estrecha, que es simple y económica.

Pero las nuevas especificaciones técnicas de la red móvil 5G permiten dispositivos de capacidad reducida que son más asequibles y eficientes en energía. Esto abre una gama de aplicaciones IoT a las velocidades de datos más rápidas y una mayor capacidad de red de 5G. Estos dispositivos IoT de próxima generación necesitan receptores que puedan sintonizar una amplia gama de frecuencias, al tiempo que siguen siendo rentables y de baja potencia.

“Esto es extremadamente desafiante porque ahora necesitamos no solo pensar en el poder y el costo del receptor, sino también la flexibilidad para abordar numerosas interferencias que existen en el medio ambiente”, dice Araei.

Para reducir el tamaño, el costo y el consumo de energía de un dispositivo IoT, los ingenieros no pueden confiar en los filtros voluminosos y fuera del chip que generalmente se usan en dispositivos que funcionan en un amplio rango de frecuencia.

Una solución es usar una red de condensadores en chip que pueda filtrar señales no deseadas. Pero estas redes de condensadores son propensas al tipo especial de ruido de señal conocido como interferencia armónica.

En trabajos anteriores, los investigadores del MIT desarrollaron una nueva red de capacitación de interruptores que se dirige a estas señales armónicas lo antes posible en la cadena del receptor, filtrando señales no deseadas antes de que se amplifiquen y se conviertan en bits digitales para su procesamiento.

Encogiendo el circuito

Aquí, extendieron ese enfoque utilizando la nueva red de interruptor de interruptor como la ruta de retroalimentación en un amplificador con ganancia negativa. Esta configuración aprovecha el efecto Miller, un fenómeno que permite a los pequeños condensadores comportarse como los mucho más grandes.

“Este truco nos permite cumplir con el requisito de filtrado para IoT de banda estrecha sin componentes físicamente grandes, lo que reduce drásticamente el tamaño del circuito”, dice Araei.

Su receptor tiene un área activa de menos de 0.05 milímetros cuadrados.

Un desafío que los investigadores tuvieron que superar era determinar cómo aplicar suficiente voltaje para conducir los interruptores mientras mantiene la fuente de alimentación general del chip a solo 0.6 voltios.

En presencia de señales interferentes, tales interruptores pequeños pueden activarse y apagado por error, especialmente si el voltaje requerido para la conmutación es extremadamente bajo.

Para abordar esto, a los investigadores se les ocurrió una solución novedosa, utilizando una técnica de circuito especial llamada Bootstrap Rocking. Este método aumenta el voltaje de control lo suficiente como para garantizar que los interruptores funcionen de manera confiable mientras usan menos potencia y menos componentes que los métodos tradicionales de aumento de reloj.

Tomados en conjunto, estas innovaciones permiten al nuevo receptor consumir menos de un miliwatt de energía mientras bloquean aproximadamente 30 veces más interferencia armónica que los receptores de IoT tradicionales.

“Nuestro chip también es muy tranquilo, en términos de no contaminar las ondas aéreas. Esto proviene del hecho de que nuestros interruptores son muy pequeños, por lo que la cantidad de señal que puede salir de la antena también es muy pequeña”, agrega Araei.

Debido a que su receptor es más pequeño que los dispositivos tradicionales y se basa en interruptores y condensadores precargados en lugar de electrónica más compleja, podría ser más rentable fabricar. Además, dado que el diseño del receptor puede cubrir una amplia gama de frecuencias de señal, podría implementarse en una variedad de dispositivos IoT actuales y futuros.

Ahora que han desarrollado este prototipo, los investigadores quieren permitir que el receptor opere sin una fuente de alimentación dedicada, tal vez cosechando señales Wi-Fi o Bluetooth del entorno para alimentar el chip.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/NewsOffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.