Pesquisadores do MIT projetaram um receptor compacto e de baixo consumo de energia para dispositivos inteligentes compatíveis com 5G que é cerca de 30 vezes mais resistente a um certo tipo de interferência do que alguns receptores sem fio tradicionais.

O receptor de baixo custo seria ideal para dispositivos de internet das coisas (IoT) alimentados por bateria, como sensores ambientais, termostatos inteligentes ou outros dispositivos que precisam funcionar continuamente por um longo período, como dispositivos vestíveis de saúde, câmeras inteligentes ou sensores de monitoramento industrial.

O chip dos pesquisadores usa um mecanismo de filtragem passiva que consome menos de um miliwatt de energia estática, ao mesmo tempo que protege a entrada e a saída do amplificador do receptor de sinais sem fio indesejados que podem bloquear o dispositivo.

A chave para a nova abordagem é um arranjo inovador de capacitores pré-carregados e empilhados, conectados por uma rede de minúsculos interruptores. Esses minúsculos interruptores precisam de muito menos energia para serem ligados e desligados do que aqueles normalmente usados em receptores de IoT.

A rede de capacitores e o amplificador do receptor são cuidadosamente organizados para aproveitar um fenômeno de amplificação que permite que o chip use capacitores muito menores do que normalmente seria necessário. 

“Este receptor pode ajudar a expandir as capacidades dos gadgets de IoT. Dispositivos inteligentes, como monitores de saúde ou sensores industriais, podem ficar menores e ter baterias com maior duração. Eles também seriam mais confiáveis em ambientes de rádio com alta densidade de tráfego, como fábricas ou redes de cidades inteligentes”, afirma Soroush Araei, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) no MIT e autor principal de um artigo sobre o receptor.

Ele é acompanhado no artigo por Mohammad Barzgari, pós-doutorando no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) do MIT; Haibo Yang, aluno de pós-graduação do EECS; e pelo autor sênior Negar Reiskarimian, professor assistente de desenvolvimento de carreira do X-Window Consortium em EECS no MIT e membro dos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas e do RLE. A pesquisa foi recentemente apresentada no Simpósio de Circuitos Integrados de Radiofrequência do IEEE.

Um receptor atua como intermediário entre um dispositivo IoT e seu ambiente. Sua função é detectar e amplificar um sinal sem fio, filtrar qualquer interferência e, em seguida, convertê-lo em dados digitais para processamento.

Tradicionalmente, os receptores de IoT operam em frequências fixas e suprimem a interferência usando um único filtro de banda estreita, o que é simples e barato.

Mas as novas especificações técnicas da rede móvel 5G permitem dispositivos de capacidade reduzida, mais acessíveis e energeticamente eficientes. Isso abre uma gama de aplicações de IoT para as velocidades de dados mais rápidas e a maior capacidade de rede do 5G. Esses dispositivos de IoT de próxima geração precisam de receptores que possam sintonizar uma ampla faixa de frequências, mantendo a relação custo-benefício e o baixo consumo de energia.

“Isso é extremamente desafiador porque agora precisamos pensar não apenas na potência e no custo do receptor, mas também na flexibilidade para lidar com os inúmeros interferentes que existem no ambiente”, diz Araei.

Para reduzir o tamanho, o custo e o consumo de energia de um dispositivo de IoT, os engenheiros não podem depender dos filtros volumosos e fora do chip, normalmente usados em dispositivos que operam em uma ampla faixa de frequência.

Uma solução é usar uma rede de capacitores no chip que podem filtrar sinais indesejados. No entanto, essas redes de capacitores são propensas a um tipo especial de ruído de sinal conhecido como interferência harmônica.

Em  trabalhos anteriores , os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova rede de capacitores-chaves que direciona esses sinais harmônicos o mais cedo possível na cadeia do receptor, filtrando sinais indesejados antes que eles sejam amplificados e convertidos em bits digitais para processamento.

Aqui, eles ampliaram essa abordagem usando a nova rede de capacitores-chave como caminho de realimentação em um amplificador com ganho negativo. Essa configuração aproveita o efeito Miller, um fenômeno que permite que capacitores pequenos se comportem como capacitores muito maiores.

“Esse truque nos permite atender ao requisito de filtragem para IoT de banda estreita sem componentes fisicamente grandes, o que reduz drasticamente o tamanho do circuito”, diz Araei.

O receptor deles tem uma área ativa de menos de 0,05 milímetros quadrados.

Um desafio que os pesquisadores tiveram que superar foi determinar como aplicar voltagem suficiente para acionar os interruptores, mantendo o fornecimento geral de energia do chip em apenas 0,6 volts.

Na presença de sinais de interferência, esses pequenos interruptores podem ligar e desligar erroneamente, especialmente se a voltagem necessária para a comutação for extremamente baixa.

Para resolver esse problema, os pesquisadores criaram uma solução inovadora, utilizando uma técnica de circuito especial chamada "bootstrap clocking". Esse método aumenta a tensão de controle apenas o suficiente para garantir que os interruptores operem de forma confiável, consumindo menos energia e menos componentes do que os métodos tradicionais de reforço de clock.

Juntas, essas inovações permitem que o novo receptor consuma menos de um miliwatt de energia, ao mesmo tempo em que bloqueia cerca de 30 vezes mais interferência harmônica do que os receptores IoT tradicionais.

Como seu receptor é menor do que os dispositivos tradicionais e depende de interruptores e capacitores pré-carregados em vez de componentes eletrônicos mais complexos, sua fabricação pode ser mais econômica. Além disso, como o design do receptor pode cobrir uma ampla faixa de frequências de sinal, ele pode ser implementado em uma variedade de dispositivos IoT atuais e futuros.

Agora que desenvolveram este protótipo, os pesquisadores querem permitir que o receptor opere sem uma fonte de alimentação dedicada, talvez coletando sinais de Wi-Fi ou Bluetooth do ambiente para alimentar o chip.

Esta pesquisa é apoiada, em parte, pela National Science Foundation.