Necesitas mantener un corriente mínima para que una referencia en derivación funcione, por lo tanto, necesitas tener un Vcc en exceso de 5V, preferiblemente un poco más para que la corriente de referencia no cambie mucho con el voltaje de entrada. Como dice Andy, un capacitor en paralelo ayuda, pero no puede suministrar corriente indefinidamente si el voltaje de entrada está en o muy cerca de Vcc.
Por ejemplo, un TL431 necesita 1mA para funcionar correctamente. Por supuesto, esa corriente debe ser absorbida por tu controlador de entrada, lo cual podría causar varios problemas dependiendo de dónde venga la entrada (sería un poco grosero hacer un producto con una entrada de propósito general así). En tu caso, controlas el amplificador de entrada, por lo que podría no ser un problema. Si no tienes mucho margen de voltaje (digamos un par de voltios), podrías considerar reemplazar la resistencia con un espejo de corriente hecho con transistores discretos.
Por cierto, un divisor de voltaje no funcionará en tu caso porque quieres que el rango de voltaje de salida sea el mismo que el rango de voltaje de entrada. Una solución solo pasiva reducirá el rango, por ejemplo, dos resistencias iguales para pasar de +/-5V a 0-5V. Sin embargo, si pudieras reducir la referencia del ADC a 2.5V (quizás usando esa referencia en derivación...), podría funcionar bastante bien.
