Делитель на резисторах -- это, конечно, очень просто и удобно, особенно в приложениях, не требующих большой точности, но если питание будет плыть, то показания температуры тоже будут плыть. Я бы сделал так:
И выставил бы в качестве опорного напряжения напряжение со входа AVCC. Тогда ток через термистор и опорное напряжение будут пропорциональны, и дрейф напряжения питания не будет сказываться на показаниях. Кроме того, за счёт вычитания показаний по двум каналам нигилируется систематическая погрешность, которой обычно страдают разные АЦП, заключающаяся в наличии в их показаниях постоянного смещения.
Для увеличения точности показаний можно измерять несколько значений напряжений и усреднять их.
В ОУ я, к сожалению, особо не разбираюсь. Особенно в rail-to-rail с низковольным питанием. Смотрите на их характеристики: малый входной ток здесь наиболее важен и большой коэффициент усиления. Кроме того, тут обратная связь по порядку близка к 100%, так что внутренняя частотная коррекция тоже не помешает, чтобы внешнюю не городить.
