Заменил lm311 на mcp602i - работает как часы.
Пересмотрел документацию
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm311.pdf:
Vcc, Supply voltage: 3.5-30V
Vi, Input voltage(|VCC+|≤15 V): min Vcc-+ 0.5
Vicr, Common-mode input-voltage range: -14.5V - 13V
Vio, Input offset voltage: 10mV.
в p.9.2.2.1 и p.9.2.2.2 что разница между входами должны быть больше Vio и в пределах Vicr.(Вернулся откуда и начал - смещению напряжения)
Собрал новую схему, с использованием двух мультиметров на входах компаратора, чтоб исключить влияние сопротивления мультиметра как делителя напряжения:
Vcc=4.15V однополярное (больше за Vcc=3.5V)
Vin-=620mV(больше за Vi=0.5V, меньше за Vicr=2.15V)
Vin+=650mV(30mV больше за Vio=10mV)
Стало чуть лучше. Переключятся начинает только когда разница напряжений больше ~35mV, а для полного переключения вообще нужно ~60mV.
Где я накосячил и по каких параметрах нужно выбирать компаратор, если нужно чтоб компаратор полностью переключался(например за 10uS) при условии: Vin-=4mV, Vin+=7mV