промоделировал следующую схему в LTSpice с разными операционными усилителями:






к сожалению, выбранный ОУ (AD8628) дает нелинейный выход при линейном входе в диапазоне выходного напряжения до 1В.
LM358 имеет большой температурный дрейф, но в итоге более линейный по краям измеряемого диапазона.
OPA335 более-менее, но дорогой, хотя нелинеен только до 0,4В, для решаемой задачи могу закрыть на это глаза.
модели скачаны с сайтов-производителей.

подскажите, можно ли исправить нелинейность на краях или хотя бы снизить интервал нелинейности? как она вообще получается? неправильная обвязка?

да, причем на спадающем фронте входного сигнала на выходе все линейно, а на растущем - нелинейно. очень странно.