Como projetar e construir um amplificador com o TDA2050

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PCBs para este projeto estão disponíveis aqui.

Nota: Este tutorial também funcionará com o TDA2030, desde que você mantenha a tensão de alimentação abaixo de ± 18 V.

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O TDA2050 é um ótimo amplificador de chip com bastante potência. Neste tutorial, mostrarei o processo de design do amplificador à medida que construo um amplificador estéreo de 25 watts com o TDA2050. Primeiro, mostrarei como calcular os requisitos de tensão e corrente de sua fonte de alimentação e mostrarei como encontrar um dissipador de calor de tamanho adequado. Em seguida, mostrarei como encontrar os valores certos para todos os componentes do circuito. Também mostrarei como alterar o ganho e como definir a largura de banda do amplificador. Por fim, discutirei o design da placa de circuito impresso e a fiação do amplificador dentro de um gabinete. As informações se baseiam em si mesmas, por isso é melhor seguir em ordem. Mas se você quiser avançar para um tópico específico, aqui estão os links para as seções deste artigo:

BÔNUS: Baixe minha lista de peças para ver os componentes que eu usei para obter boa qualidade de som neste amplificador. Também incluí os arquivos Gerber e o esquema da fonte de alimentação que usei.

A folha de dados é uma boa referência para a construção de qualquer amplificador. Eu recomendo lê-lo antes de iniciar este projeto:

Ícone de PDF dos princípios básicos do circuito Folha de dados do TDA2050

AVISO!! ESTE PROJETO ENVOLVE ALTAS TENSÕES QUE PODEM CAUSAR LESÕES GRAVES OU MORTE. Certifique-se de usar as precauções adequadas de segurança e nunca trabalhe em um circuito ativo.

Você também pode assistir a este vídeo para ter uma visão geral do processo de design. No final do vídeo, conecto o amplificador e toco algumas músicas para que você possa ouvir como é:

O que saber antes de começar

Antes de começar, você terá uma ideia de quanto potência de saída você quer do amplificador. Você também precisa conhecer o impedância dos seus alto-falantes e do tensão de entrada da sua fonte de áudio. Verifique a folha de dados do TDA2050 para encontrar as classificações máximas absolutas para esses parâmetros e projete seu amplificador para permanecer dentro dos limites operacionais seguros.

De acordo com a folha de dados, o TDA2050 pode produzir 28 Watts em alto-falantes de 4 with com distorção de 0,5% em uma fonte de alimentação de 22 V. Estarei alimentando 6 ‘alto-falantes com meu amplificador, por isso vou apontar para uma potência de saída de cerca de 25 Watts. Vou usar um iPhone como fonte de áudio, que tem uma tensão de saída de 1 V.

O primeiro passo é descobrir quanta tensão e energia você precisa da fonte de alimentação para obter a potência de saída desejada.

Tensão e corrente da fonte de alimentação

O TDA2050 pode ser alimentado por uma fonte dividida ou uma fonte única. A potência de saída do amplificador será maior com uma fonte dividida, por isso é o que vou usar aqui.

Tensão da fonte de alimentação

A potência de saída desejada e a impedância do alto-falante irão determinar quanta voltagem você precisa da fonte de alimentação. Mas antes que possamos calcular a tensão da fonte de alimentação, precisamos calcular a potência do amplificador tensão de saída de pico (Vfalar).

Tensão de saída de pico

O pico de tensão de saída pode ser encontrado com esta fórmula:

V_ opeak =  sqrt 2  times R_ L  times P_ o \ \ R_ L = Speaker  hspace 1mm impedância \ \ P_ o = Average  hspace 1mm saída  hspace 1mm de potência

A tensão de saída de pico do meu amplificador de 25 Watts que aciona alto-falantes de 6 will será:

V_ opeak =  sqrt 2  times 6  hspace 1mm  Omega  times 25  hspace 1mm W \ \ =  sqrt 300 \ \ = 17,3  hspace 1mm V

Portanto, com uma potência de saída de 25 Watts, a tensão máxima nos alto-falantes será de 17,3 V.

Tensão máxima de alimentação necessária pelo amplificador

Agora você pode encontrar o tensão máxima de alimentação (Vfornecimento máximo), que é a voltagem que seu amplificador precisa para obter a potência de saída desejada. O limite de tensão de alimentação do TDA2050 é de ± 25 V, portanto, não exceda isso.

A fórmula para calcular a tensão máxima de alimentação é:

Regulação é o aumento da tensão de saída do transformador quando não há carga para extrair corrente, o que acontece quando o amplificador não está tocando música. O valor exato deve ser fornecido na folha de dados do seu transformador. O transformador que vou usar possui uma regulação de 6%, então minha tensão máxima de alimentação é:

V_ max  suprimento =  pm (17,3  V + 4  V) (1 + 0,06) (1,1) \ \ =  pm (21,3  V  vezes 1,06  vezes 1,1) \ \ =  pm24.9  V

Portanto, minha fonte de alimentação precisa fornecer ± 24,9 V para o meu amplificador acionar alto-falantes de 6 at a 25 Watts. O símbolo ± significa que a tensão positiva no trilho é +25 V e a tensão negativa no trilho é -25 V.

Tensão máxima de alimentação fornecida por um transformador

O objetivo é encontrar um transformador que possa produzir uma tensão de alimentação máxima próxima à tensão de alimentação máxima necessária ao seu amplificador.

A classificação de tensão de um transformador informa apenas sua saída de tensão CA. A tensão DC que você obtém depois que os retificadores em ponte na fonte de alimentação convertem CA em CC será realmente maior por um fator de 1,41. Você também precisará considerar os surtos na fonte de alimentação e a regulamentação do seu transformador.

A tensão máxima de alimentação que você obtém de um transformador pode ser calculada com esta fórmula:

Comecei com uma classificação de transformador de 15 V CA para ver se isso forneceria a tensão de alimentação máxima necessária para o meu amplificador:

\ V_ max  hspace 1mm suprimento = (15  hspace 1mm V) (1,41) (1,1) (1 + 0,06) \ \ = 24,7  hspace 1mm V

Portanto, um transformador de 15 V fornecerá uma tensão de alimentação máxima de 24,7 V DC após a fonte de alimentação. Isso é realmente próximo da tensão de alimentação máxima de 24,9 V necessária para o meu amplificador, mas agora vamos calcular exatamente quanta energia de saída eu receberei com ele …

Potência de saída do amplificador a partir da tensão máxima de alimentação de um transformador

Este cálculo é útil se você já possui um transformador e deseja ver quanta potência de saída o seu amplificador produzirá com ele:

A tensão máxima de alimentação de um transformador de 15 V é 24,7 V, então a potência de saída que recebo do meu amplificador é:

P_ o =  frac ( frac V_ max  hspace 1mm suprimento (1 + Regulação) (1.1) - V_ od) ^ 2 2  times R_  L \ \ P_ o =  frac ( frac 24,7  hspace 1mm V (1 + 0,06) (1,1) - 4  hspace 1mm V) ^ 2  2  times 6  hspace 1mm  Omega \ \ =  frac ( frac 24,7  hspace 1mm V 1.166 -4  hspace 1mm V) ^ 2  12 \ \ =  frac (17,2) ^ 2 12 \ \ =  frac 295 12 \ \ = 24,6  hspace 1mm W

Um transformador de 15 V fornecerá 24,6 Watts de potência de saída em 6 Ω alto-falantes, e isso é próximo o suficiente dos 25 Watts desejados.

Potência do transformador necessária pelo amplificador

Agora podemos determinar quanta energia o transformador precisa para fornecer o amplificador. Normalmente, a energia é fornecida como Classificação VA nas especificações do transformador. Para calcular um mínimo Classificação VA, primeiro precisamos encontrar o potência total (Pfornecem) o transformador precisa fornecer o amplificador.

A potência total depende da tensão máxima de alimentação que você obtém do transformador, da tensão de saída máxima do amplificador, da impedância do alto-falante e da corrente de drenagem quieta (QDC) do TDA2050 (90 mA):

P_ fornecimento = 2  vezes V_ cc ( frac V_ opeak  pi  vezes R_ L + QDC) \ \ V_ cc = Máximo  fornecimento  tensão  de  transformador \ \ V_ opeak = Pico  saída  voltagem \ \ QDC = Quiescente  dreno  corrente   Rightarrow  90  mA (da  folha de dados) \  R_ L = Alto-falante  impedância

Portanto, meu transformador de 15 V precisa fornecer pelo menos:

P_ suprimento = 2  times 24,7  hspace 1mm V ( frac 17,3  hspace 1mm V  pi  times 6  hspace 1mm  Omega +0,09  hspace 1mm A) \ = 49,4  times (0,92 + 0,09) \ \ = 49,4  times 1,0 \ \ = 49,4  hspace 1mm W

Agora usaremos a potência total para encontrar uma classificação VA mínima para o seu transformador …

Converter potência total em classificação VA do transformador

Para encontrar uma classificação VA mínima para o seu transformador, uma regra geral é multiplicar a potência total por um fator de 1,5.

Para o meu transformador de 15 V, a classificação VA precisará ser:

49,4  W  vezes 1,5 = 74,1  VA

Este é o VA por canal. Para um amplificador estéreo, multiplicamos por dois:

74.1  VA  vezes 2 = 148.2  VA

Portanto, qualquer coisa acima de um transformador de 150 VA fornecerá ao meu amplificador energia suficiente. É bom saber porque, se o transformador estiver com pouca energia, o amplificador poderá cortar ou distorcer o áudio em volumes mais altos.

Encontrar o tamanho certo do dissipador de calor

Os dois canais do meu amplificador conectados a um dissipador de calor:

O TDA2050 precisa ser conectado a um dissipador de calor ou ele superaquecerá rapidamente e será danificado. O tamanho do dissipador de calor que você precisa dependerá do seu dissipação máxima de energia e a resistências térmicas no caminho do fluxo de calor para longe do TDA2050.

Dissipação máxima de potência

A dissipação máxima de potência (Pdmax) é a quantidade de energia que o TDA2050 dissipará como calor no limite de sua operação. Pdmax depende da tensão máxima de alimentação que você obterá com o transformador e da impedância dos alto-falantes:

P_ dmax =  frac (2  times V_ cc) ^ 2 2  times  pi ^ 2  times R_ L \ \ V_ cc = Maximum  fornecimento  voltagem  do  transformador \ \ R_ L = Alto-falante  impedância

De acordo com a folha de dados, a classificação máxima absoluta do TDA2050 para Pdmax é de 25 watts. Se o Pdmax de seu design for superior a 25 watts, será necessário diminuir a tensão de alimentação ou aumentar a impedância do alto-falante para evitar danos.

Para o amplificador que estou construindo, a tensão máxima de alimentação fornecida pelo meu transformador é de ± 24,7 V e eu estou dirigindo 6 Ω alto-falantes, então meu Pdmax é:

P_ dmax =  frac (2  times 24,7  V) ^ 2 2  times  pi ^ 2  times 6   Omega \ \ =  frac 2440 118,4  \ \ = 20,6  W

A Pdmax de 20,6 Watts está abaixo da classificação máxima absoluta do TDA2050 de 25 Watts, então tudo parece bom até agora.

Resistência térmica máxima do dissipador de calor

Agora podemos determinar o resistência térmica máxima (em ° C / W) do dissipador de calor, você precisa dissipar toda a energia que o TDA2050 produz. Mas antes que possamos fazer isso, precisamos conhecer os valores das três resistências térmicas no caminho do fluxo de calor para longe do TDA2050:

θjc: A resistência térmica da junção do chip (a matriz) ao exterior da caixa de plástico.

θcs: A resistência térmica da caixa do chip ao dissipador de calor.

θsa: A resistência térmica do dissipador de calor ao ar ambiente.

A dissipação de calor será mais eficiente quando qualquer uma delas for reduzida. Não podemos fazer nada para obter um θ mais baixojc, porque depende da construção do pacote do TDA2050. θcs pode ser baixado usando pasta térmica entre o chip e o dissipador de calor. A resistência térmica da pasta térmica é geralmente em torno de 0,2 ° C / W, mas verifique a folha de dados para encontrar o valor exato para o tipo que você está usando.

A maior redução da resistência térmica virá da sua escolha de dissipador de calor (θsa) A resistência térmica do dissipador de calor é normalmente fornecida como uma classificação de C / W na folha de dados ou no material publicitário. Dissipadores de calor com menor resistência térmica dissiparão mais calor.

Use esta fórmula para calcular a resistência térmica máxima do dissipador de calor necessária para dissipar o P do TDA2050dmax:

 theta_ sa =  frac [(T_jmax-T_amb)-P_dmax(theta_jc+theta_cs)] P_ dmax \ \ T_ jmax = Máxima  junção  temperatura   Rightarrow  150  ^  circ C  (da  folha de dados) \ \ T_ amb = Ambiente  temperature \ \  theta_ jc = Térmica  resistência  da  junção  ao  case \ \  theta_ cs = Térmica  resistência  da  caixa  ao  calor  pia \ \ P_ dmax = Máxima  potência  dissipação

  • O θcs do TDA2050 é de 3 ° C / W.
  • Tjmax é a temperatura máxima da junção ou a temperatura na qual o circuito de desligamento térmico está ativado. Tjmax para o TDA2050 é de 150 ° C.
  • Tamb é a temperatura ambiente (em ° C) enquanto o amplificador está em operação. Um valor típico é a temperatura ambiente (25 ° C).

A resistência térmica máxima do dissipador de calor para o meu amplificador com um Pdmax de 20,6 Watts é:

 theta_ sa =  frac [(150hspace1mm^circC-25hspace1mm^circC)-20.6hspace1mmW(3hspace1mm^circC/W+0.12hspace1mm^circC/W)] 20,6  hspace 1mm W \ \ =  frac 60,7 20,6 \ \ = 2,9  hspace 1mm ^  circ C / W

Então, vou precisar de um dissipador de calor classificado Menor ou igual a 2,9 ° C / W para garantir que ele dissipará toda a energia que meu amplificador produz.

Cálculo dos valores dos componentes do amplificador

Agora que todos os requisitos de dissipador de energia e calor foram calculados, vamos encontrar os melhores valores para os componentes no circuito. Usarei o esquema abaixo, que é basicamente o mesmo da folha de dados, mas com alguns componentes extras para ajudar a filtrar o ruído:

Se você clicar na imagem, será direcionado para o editor de esquemas EasyEDA, onde poderá modificar o circuito e alterar os valores dos componentes.

Aqui está um diagrama da pinagem do TDA2050 para sua referência:

Ganho mínimo

O ganho do TDA2050 deve ser definido acima de 24 db para manter a estabilidade, mas também é necessário um ganho mínimo para obter a potência de saída desejada. Depende da tensão de entrada, impedância do alto-falante e potência de saída desejada, de acordo com esta fórmula:

A_ V  geq  frac  sqrt P_ o  times R_ L V_ in \ \ A_ V = Ganho \ \ V_ in = Entrada  hspace 1mm Tensão \ \ R_ L = Alto-falante  hspace 1mm Impedância \ \ P_ o = Saída  hspace 1mm Potência

Vou usar um iPhone como fonte de áudio para o meu amplificador. O iPhone tem uma tensão de saída de cerca de 1 V, portanto, para obter uma potência de saída de 24,6 W, precisarei definir o ganho para pelo menos:

A_ V  geq  frac  sqrt 24,6  hspace 1mm W  times 6  hspace 1mm  Omega 1  hspace 1mm V \ \  geq  frac  sqrt 148 1 \ \  geq 12.2

Isso é expresso como o Ganho de tensão (Vo/ VEu) ou o fator de amplificação. Para converter o ganho de tensão em ganho de decibéis, use esta fórmula:

Ganho_ db = 20  times  log_ 10 ( frac V_ o V_ i) \ \ = 20  times  log_ 10 (12,2)   \ = 21,7  db

Portanto, definir meu ganho acima de 21,7 db garantirá 24,6 Watts de potência de saída. Mas o ganho mínimo do TDA2050 é de 24 db, então eu preciso configurá-lo para pelo menos 24 db.

Defina o ganho

Os valores dos resistores R4 e R5 definem o ganho do TDA2050:

Configurações de alto ganho causam distorção e configurações de baixo ganho podem não fornecer volume suficiente. Se o seu valor de ganho mínimo permitir, um bom ganho para ouvir em casa é de 27 a 30 db. Essa configuração não é alta o suficiente para causar distorção e oferece uma boa faixa de volume.

Os melhores resistores para R4 e R5 são tipos de filme de metal com tolerâncias rígidas. Uma tolerância de 0,1% ou menos é ideal. É importante usar resistores de tolerância estreita para definir o ganho, especialmente se você estiver construindo um amplificador estéreo. Se os valores de resistência entre os dois canais estiverem desativados em alguns Ohms, os ganhos serão diferentes e um lado será mais alto que o outro.

O ganho é calculado com esta fórmula:

A_ V = 1+  frac R5 R4 \ \ A_ V = Ganho  ( frac V_o V_i) \ \ R4 = Resistência  de  R4  in  Ohms \ \ R5 = Resistência  de  R5  in  Ohms

Vou definir o ganho do meu amplificador para cerca de 27 db. Tentei diferentes valores de resistores com a fórmula acima e cheguei perto do ganho desejado com R4 a 1 kΩ e R5 a 22 kΩ. Essas resistências definirão meu ganho para:

A_ V = 1+  frac 22000  hspace 1mm  Omega 1000  hspace 1mm  Omega \ \ = 1 + 22 \ \ = 23  hspace 1mm  frac V_ o V_ i \ \ = 27,2  hspace 1mm db

O que funcionará bem, pois 27,2 db está acima do ganho mínimo calculado anteriormente e acima do mínimo de 24 db do TDA2050.

Equilibrar a corrente de polarização de entrada

Após definir o ganho, o próximo passo é equilibrar o volume do seu amplificador corrente de polarização de entrada. A corrente de polarização da entrada é a diferença de correntes que fluem para a entrada não inversora (pino 1) e a entrada inversora (pino 2). Essa diferença de corrente precisa ser minimizada, pois criará uma tensão DC nas entradas que serão amplificadas como ruído.

A corrente na entrada de inversão é determinada pela resistência de R5. A corrente na entrada não inversora é determinada pelas resistências de R2 e R3 em série:

In order to make the currents at each input the same, we set

R2+R3 = R5

For my amplifier, I already found a value for R5 when I set the gain. For R3, I started with an arbitrary value of 1 kΩ then rearranged the formula above to find a value for R2:

R2+R3 = R5\ \R2 = R5 -R3 \ \R2 = 22000 hspace1mm Omega - 1000 hspace1mm Omega\ \R2 = 21000 hspace1mm Omega

So a 21 kΩ resistor for R2 and a 1 kΩ resistor for R3 will balance the input bias current.

Set the Low End of the Amplifier’s Bandwidth at the Input

Capacitor C1 prevents DC from the audio source getting to the amplifier’s input. If DC is allowed to reach the input, it will get amplified along with the audio signal and create noise.

C1 also forms a resistor-capacitor (RC) high pass filter with R2 that defines the low end of the amplifier’s bandwidth:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Set the Low Frequency Cut Off at the Amplifier's Input

A filter’s cutoff frequency (Fc) is the frequency at which the filter starts to work. In a high pass filter, frequencies below the cutoff frequency are muted.

The cutoff frequency of this filter can be found with this equation:

F_c=frac12 times pi times R2 times C1\ \R= Resistance  of  R2  in  Ohms\ \C= Capacitance  of  C1  in  Farads

We already found a value for R2 when we balanced the input bias currents. To find a value for C1, we just need to define a cutoff frequency. Since the lower limit of human hearing is 20 Hz, the Fc should be well below 20 Hz so that audible bass frequencies aren’t muted.

The Fc equation above can be rearranged to find the value for C1 at a particular cutoff frequency:

C1=frac12 times pi times R2 times F_c

I went with an Fc of 3.5 Hz for my amplifier, but you can use slightly higher or lower values if you want. It may take some experimentation to find the perfect value for your ears, but just be sure to stay well below the lower limit of human hearing (20 Hz), or your amp’s bass response will be weak.

With an Fc of 3.5 Hz, the value of my C1 is:

C1=frac12timespi times 21000hspace1mm Omegatimes 3.5hspace1mm Hz\ \=frac1461,814\ \=0.0000022hspace1mm F\ \=2.2hspace1mmmu F

C1 is directly in the input signal path, so it will affect your amplifier’s sound quality. For the best sound, use a polypropylene metal film or polypropylene metal film in oil capacitor.

Set the Low End of the Amplifier’s Bandwidth in the Feedback Loop

C3 and R4 form another high pass filter in the feedback loop:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Set the Low Frequency Cut Off of the Feedback Loop

The cutoff frequency of this filter should be set 3 to 5 times lower than the cutoff frequency of the input high pass filter. If the cutoff frequency of this filter is higher than the filter at the input, low frequencies will be passed to the feedback loop filter that are below it’s cutoff frequency. This will create a DC voltage across C3 that will appear at the inverting input and get amplified as noise.

Even though the input filter sets the low end of the amplifier’s bandwidth, C3 still has an effect on the bass response. Smaller values of C3 will result in softer bass that has less punch, and larger values will make the bass tighter, with more impact.

Use the formula below as a starting point to find an ideal value for C3:

C3geqfracsqrt2times(R2+R3)times C1R4

I already calculated values of R2, R3, R4, and C1, so my C3 should be greater than:

C3geqfracsqrt2times(21000  Omega+1000  Omega)times 0.0000022 F1000 hspace1mm Omega\ \ geqfrac0.0681000 hspace1mm Omega\ \ geq 0.000068  F\ \ geq 68  mu F

It’s going to be hard to find a 68 µF capacitor, so I’ll round up to 100 µF. Let’s see what the cutoff frequency would be with that:

F_c=frac12 times pi times 1000hspace1mm Omega times 0.0001 hspace1mm F\ \=frac10.628\ \=1.59hspace1mm Hz

Now lets check to see if 1.59 Hz is 3 to 5 times lower than the 3.5 Hz Fc of my input filter:

frac3.5 hspace1mm Hz1.59 hspace1mm Hz\ \=2.2

It’s 2.2 times lower, so maybe we can do better with a 220 µF capacitor. The Fc with a 220 µF capacitor is 0.72 Hz.

frac3.5 hspace1mm Hz0.72 hspace1mm Hz\ \=4.9

So a value of 220 µF for C3 sets the cutoff frequency of the feedback loop filter to 4.9 times lower than the cutoff frequency of the input filter. This will be just fine, so that’s what I’ll use.

Set the High End of the Amplifier’s Bandwidth

R1, R3, and C2 form a low pass RC filter at the amplifier’s input that defines the high end of the amplifier’s bandwidth:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Set the High Frequency Cut Off at the Amplifier's Input

In a low pass filter, frequencies above the cutoff are muted. This filter has two functions. One, it sets the upper limit of the amplifiers’s bandwidth, and two, it filters high frequency radio and electromagnetic interference from the audio input.

The cutoff frequency of this filter should be greater than the 20 kHz upper limit of human hearing. It should also be lower than any radio broadcast frequencies that might be picked up by the input wires and traces.

The lowest radio broadcast frequency in the USA is AM at 535 kHz. I decided on a cutoff frequency of 350 kHz, which is well below 535 kHz and well above the 20 kHz upper limit of human hearing.

To find the value of C2 with an Fc of 350 kHz, I rearranged the cutoff frequency formula to solve for C2:

F_c=frac12pi (R1+R3)C2Rightarrow C2=frac12pi (R1+R3)F_c\ \C2=frac12times pi times (1000 hspace1mm Omega + 1000 hspace1mm Omega)times 350000 hspace1mm Hz\ \=frac14.4 times 10^9\ \=2.27 times 10^-10hspace1mm F\ \=227 hspace1mm pF

227 pF isn’t a common capacitor value. However, 220 pF would give an cutoff frequency of 362 kHz, so that will work fine as a substitute.

The Zobel Network

UMA Zobel network helps to prevent oscillation that can occur from the parasitic induction of speaker wires. It also acts as a filter to prevent radio interference picked up by the speaker wires from getting to the inverting input via the feedback loop.

C4 and R6 form a Zobel network at the amplifier’s output:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - The Zobel Network

Since capacitors have a very low impedance at high frequencies, radio frequencies are shorted to ground via C4. R6 limits the high frequency current so there isn’t a direct short to ground, which could exceed the current limit of the TDA2050. The relatively low frequency audio current is blocked by C4, so it’s directed out to the speakers.

The cutoff frequency of the Zobel network can be calculated with:

F_c=frac12 times pi times R6 times C4\ \R6= Resistance  of  R6  in  Ohms\ \C4= Capacitance  of  C4  in  Farads

The datasheet gives values for R6 = 10 Ω and C4 = 100 nF, which gives an Fc of:

F_c=frac12 times pi times 10  Omega times (1 times 10^-7  F)\ \=frac10.0000063\ \=159  kHz

159 kHz is above the 20 kHz limit of human hearing and well below radio frequencies, so these values will work fine.

If the amplifier oscillates, R6 will be passing high currents to ground so it should have a power rating of at least 1 Watt. C4 should ideally be a metal film capacitor with a low ESR, and a voltage rating greater than the rail to rail output swing.

Power Supply Decoupling Capacitors

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Power Supply Decoupling Capacitors

C5 to C10 are the power supply decoupling capacitors. They act as a reservoir of current that can be quickly supplied to the amplifier when needed. There is one set of decoupling capacitors for each voltage supply pin.

The larger value decoupling capacitors (C9 and C10) provide reserve current during extended periods of low frequency output. Larger values will improve the bass response of the amplifier.

The smaller value decoupling capacitors (C6 and C5) can supply reserve current rapidly for periods of intense high frequency output. They also filter high frequency noise and electromagnetic interference from the power supply.

Decoupling capacitors also compensate for the inductance and resistance of the power supply wires and traces leading to the chip. Inductance and resistance inhibit current flow, and since the main power supply is relatively far away from the TDA2050, the effect can be significant. Locating the decoupling capacitors as close as possible to the chip’s pins will maximize current flow to the chip.

The best types of capacitors to use will have a lower equivalent series resistance (ESR) e equivalent series inductance (ESL).

Grounding the Amplifier

Grounding is one of the most important aspects of amplifier design. A poor grounding layout can be a major source of hum and buzzing. A good grounding layout keeps the low current audio input and signal grounds separate from the high current power supply and speaker grounds. If high currents are allowed to flow through the low current grounds, a DC voltage will develop in the low current wires that will show up at the input and get amplified as hum.

To keep the different grounds separate, we’ll create several different ground networks:

  • Audio input ground: For the ground wire of the audio input cable
  • Signal ground: For the input circuit: R2, C2, and C3
  • Speaker ground: For the speaker return wires
  • Power ground: For the power supply decoupling capacitors and the Zobel network

These grounds will connect to a group of terminals called the main system ground. The main system ground is connected to a ground loop protection circuit (I’ll explain more about this later), which then connects to the mains earth wire via the metal chassis.

The main system ground should be located as close as possible to the reservoir capacitors on the power supply:

How to Design a Hi-Fi Audio Amplifier With an LM3886 - Grounding Diagram

The ground networks are connected to the main system ground in a particular order so that high currents only flow through the low current grounds for a very short distance. As shown in the diagram above, the ground loop protection circuit connection is closest to the reservoir capacitors and the input ground connection is the farthest away.

PCB Layout and Design

I designed the PCB for my amplifier using EasyEDA’s online PCB design software. EasyEDA is a full suite schematic and PCB design software/manufacturing service that’s free to use and offers great prices on custom PCB manufacturing. To edit the layout, change component footprints, and order the PCB, click on the image below:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - PCB Layout

The component labels on the PCB match the labels in the schematic

This PCB is for a single channel, so if you’re building a stereo amplifier you’ll need to build two boards. If you want some tips on designing PCBs and a tutorial on using EasyEDA, check out our article How to Make a Custom PCB.

PCB Ordering

If you click on the “Fabrication Output” button in the PCB editor window, you’ll be taken to a page where you can order the PCB. You’ll also be given choices for copper thickness, PCB thickness, color, order quantity, and other parameters:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Ordering the PCB

I ordered 5 PCBs and the cost came to $17.10 USD. Manufacturing and shipping took about 10 days. The boards came out great. The traces are routed precisely and all of the printing is very clear. Here’s one of the boards after manufacturing:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - PCB Top

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - PCB Bottom

PCB Design Tips

There are four basic principles I took into account when designing this PCB:

  • Current flowing through a conductor creates a magnetic field that can generate a current in a parallel conductor
  • Current flowing in a conductive loop creates a magnetic field, and a magnetic field generates a current in a conductive loop. The magnitude of the current is proportional to the area inside the loop
  • Inductance inhibits the flow of current. Long, thin traces have more inductance than short, thick traces
  • A capacitor in series with an inductor creates a resonant circuit

The traces leading to the non-inverting input and feedback loop have been routed far away from the power supply and audio output traces to prevent high currents generating currents in low current traces. If routing a low current trace near a high current trace is unavoidable, run them at 90° angles, but never parallel. If you put the terminals for the high and low current circuits on opposite sides of the PCB, it will be easier to route them far away from each other.

Any space between traces of the same circuit will create a conductive loop that’s susceptible to receiving or transmitting magnetic fields. To avoid this, I’ve routed the positive and negative power supply traces close to each other, and used ground planes on the bottom of the PCB. When traces are routed over a ground plane, the width of the loop is reduced to the thickness of the PCB.

Since the power ground and signal ground need to be kept separate, the bottom side of the PCB has two ground planes that are not connected electrically. One ground plane carries the power ground, and the other ground plane carries the signal ground. On the top side of the PCB, the power supply traces, output, and Zobel network are routed over the power ground plane. The input and feedback loop traces are routed over the signal ground plane.

A capacitor in series with an inductor creates a resonant circuit, which can cause oscillation. Inductance also inhibits the flow of current. To reduce the effects of inductance, it’s best to keep all traces as short as possible. This is especially important for the power supply decoupling capacitors, the feedback loop, and the Zobel network. They’ve all been placed as close as possible to the chip’s pins to shorten the trace length.

Building the Amplifier

Assembling the PCB is pretty straight forward. Here are the components and PCB before soldering:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Unassembled Amp

It’s usually easiest to solder the smaller components first, then work your way up to bigger components. I use a putty called Sticky-Tac to hold components in place on the top of the PCB while soldering from the bottom side.

If you can, use 63/37 eutectic solder instead of 60/40 tin lead solder. Eutectic solder has a smaller melting range which makes the solder bond set faster and gives a stronger bond. The melting range of 60/40 solder is fairly wide, and it become pasty at at the lower end of the range. If a component is moved in the pasty phase, the joint will be weak and may form a cold solder joint.

It’s also a good idea to use some fine grit sandpaper to remove any oxidation from the component leads before soldering.

Here’s one channel of my amplifier after I soldered the components:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Assembled Amp

The Amplifier Enclosure/Chassis

Metal enclosures are the most commonly used because they offer the best shielding from fluorescent light, radio frequency, and cell phone interference. It can be hard to find one that fits though. I recommend the enclosures from Hi-Fi 2000, a company in Italy that has beautiful enclosures available in lots of different sizes. The website is in Italian, but you can change the language to English. They also do custom printing, engraving, and drilling. I ordered their 330 mm X 280 mm Galaxy enclosure with a 10 mm black anodized aluminum front panel and it looks great:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - The Amplifier Chassis

But if you’re on a budget, their economy line looks really good too. The Economica 280 mm x 250 mm model would fit the stereo TDA2050 amplifier too:

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - The Chassis

Wiring the Amplifier

The diagram below shows how I wired my amplifier together inside the chassis:

How to Design a Hi-Fi Audio Amplifier With an TDA2050 - Master Wiring Diagram

Click on the image to view a larger version

To avoid interference from magnetic fields, try to keep the sensitive input and signal wires far away from the power supply wires, speaker output wires, transformer, AC mains wires, and rectifier diodes on the power supply.

To minimize the loop area, the following wires should be tightly twisted together for as long a distance as possible:

  • AC hot and AC neutral wires to transformer
  • 0 V and secondary voltage wires from transformer to power supply
  • V+, V-, and power ground wires from power supply to amplifier PCB
  • Speaker output and speaker ground
  • Audio input and audio input ground

Three power supply wires (positive, negative, and power ground) run to each amplifier PCB. These wires should be thick and as short as possible to minimize the inductance. I used 14 AWG, but anything larger than 18 AWG should be fine.

The audio input and signal ground wires don’t carry a lot of current so they can be thin gauge. Solid core 22 AWG works really well and is easy to twist together.

For fault current protection, the mains earth wire should be secured to the chassis with a bolt, lock nut, and a ring terminal. Make sure to scrape off any paint or anodization from the chassis to get a good electrical connection. All metal parts (like the heat sinks) should also be electrically connected to the chassis.

The audio input ground and speaker grounds are wired directly from the terminals on the chassis to the main system ground.

Audio input cables from the source can pick up stray electromagnetic interference. To filter this out, you can install a 1 nF capacitor at each input terminal, from the positive side to ground.

The Ground Loop Protection Circuit

Complete TDA2050 Amplifier Design and Construction - Ground Loop Protection Circuit Assembled PCB

A ground loop is a current that flows from the audio source to the amplifier through the ground shield of the audio input cables. This current will be picked up at the amplifier’s input and produce an annoying hum. You can use an extra circuit placed between the main system ground and the chassis connection to break the ground loop current:

How to Design a Hi-Fi Audio Amplifier With an LM3886 - Ground Protection Circuit Schematic

NOTE: THIS CIRCUIT MAY NOT BE LEGAL IN YOUR AREA. PLEASE CHECK YOUR LOCAL ELECTRICAL CODES OR CONSULT AN ELECTRICIAN BEFORE USING A GROUND LOOP BREAKER

Under normal operating conditions, low voltage ground loop currents flow through the resistor (R1). The resistor reduces this current and breaks the ground loop. If a high current fault occurs, the fault current can flow through the diode bridge to earth. The capacitor filters any radio frequencies picked up by the chassis.

The main system ground connects to the ground loop protection circuit at the “PSU 0V” terminal. The ground loop protection circuit then connects to the chassis from the “Chassis” terminal. The connection to the chassis can be at the same bolt where the mains earth wire connects, or at another spot.

If you use a ground loop protection circuit, be sure to isolate all input and output connectors from the chassis. Otherwise, there will be a direct path from the main system ground to the chassis and the ground loop protection circuit will be bypassed entirely.

The ground loop protection circuit can be hard wired, but it’s a little neater to mount the components to a PCB:

How to Design a Hi-Fi Audio Amplifier With an LM3886 - Ground Protection Circuit PCB Layout

Click on the image to edit the layout, change component footprints, and order PCBs.

How Does it Sound?

Overall, the amp sounds great. The bass, mids, and treble are all very clear and well balanced. It also has plenty of power. There’s more than enough volume for listening in my living room. There is no hum or noise while the amp is powered on and plugged into the source.

While the sound quality of the TDA2050 may not be up to par with our Hi-Fi LM3886 amplifier project, it still sounds really good. If this is your first amplifier build, I’d suggest starting with our TDA2003 stereo or bridged amplifier projects since they’re quite a bit easier to build.

Be sure to leave a comment if you have any questions, and feel free to share this post if you know anyone that would find it useful! Thanks for reading…

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